اشعه ایکس X و تاثیر آن بر بدن

اشعه ایکس X و تاثیر آن بر بدن

اشعه ایکس (X) یا پرتوهای رونتگن نوعی از امواج الکترومغناطیس با طول موج حدود 10 تا 2-10 آنگستروم است که در بلور شناسی و عکس برداری از اعضای داخلی بدن و عکس برداری از درون اشیای جامد و به عنوان یکی از روش‌های تست غیرمخرب در تشخیص نقص‌های موجود در اشیای ساخته شده (مثلاً در لوله‌ها و…) کاربرد دارد.

به گزارش خبرنگار سایت پزشکان بدون مرز، پرتوهای ایکس را بوسیله بمباران هدفی فلزی با باریکه ای از الکترون های سریع تولید می کنند. قطعات اصلی لامپ اشعه ایکس شامل کاتد برای گسیل الکترون ها و آند به عنوان هدف می‌باشد، که هر دو درون لامپ خلا جای گرفته‌ اند.

در سال 1895، درخشش کوتاه صفحه فسفرسانتی که در گوشه ای از آزمایشگاه نیمه تاریک بررسی اشعه کاتدیک قرار داشت، ذهن آماده و خلاق رنتگن که در آن زمان استاد فیزیک بود، متوجه پرتوهای تازه‌ای نمود که از حباب شیشه ای لامپ های کاتودیک بیرون زده و بی آنکه به چشم دیده شود به اطراف پراکنده می‌شوند.

آن چه مایه شگفتی رنتگسن شده بود، نفوذ این پرتوها از دیواره شیشه ای لامپ به بیرون و تأثیر آن روی صفحه فاوئورسانت در گوشه‌ای نسبتا دور از لامپ در آزمایشگاه بود. رنتگن به بررسی های خود درباره کشف تازه که آن پرتو ایکس نامید (بخاطر فروتنی)، ادامه داد. بعدها این اشعه رنتگن نامیده شد.

تاریخچه

همان طور که ذکر شد پرتو ایکس در سال 1895توسط ویلهلم کنراد رونتگن (رنتگن)، فیزیکدان آلمانی کشف شد و به دلیل ناشناخته بودن ماهیت آن، پرتو ایکس (X=مجهول) نامیده شد. او پی برد که برخورد پرتوهای کاتدی بر جداره‌های لامپ خلاء، پرتوهایی نامرئی با قدرت نفوذ بسیار زیاد تولید می‌کند که بر روی فیلم‌های عکاسی تأثیر می‌گذارند. این پرتوها توانایی عبور از لایه‌های ضخیم مواد کدر، از جمله بافت‌های بدن انسان را داشتند.

نحوه تولید پرتو کاتدی به این صورت است که وقتی دو قطعه فلز کاتد (مثبت) و آند (منفی) که حامل حداقل 10000 ولت برق باشند وارد یک محفظه شیشه ای بسته باشند آن وقت فشار هوای درون آن محفظه را کاهش دهیم یک پرتو نامریی از قطب منفی به قطب مثبت می رود. که این پرتو را می توان با موادی که خاصیت فسفرسانس دارند را در مقابل پرتو بگذاریم می توان آن را دید.

این گمان که پرتوهای ایکس، امواج الکترومغناطیس با طول موج بسیار کوتاهند، به کمک یک آزمایش پراش دوگانه که در سال 1906 توسط سی.گ.بارکلا انجام گرفت، تائید شد. اثبات قطعی ماهیت موجی پرتو ایکس در سال 1912 به وسیله‌ی فون لاوه ارائه شد.

انواع پرتو ایکس

پرتو ایکس تکفام (تک رنگ): پرتو ایکسی که فقط دارای یک طول موج خاص است را پرتو ایکس تکفام می‌نامند.

پرتو ایکس سفید (پیوسته): پرتو ایکسی که تکفام نبوده و دارای طول موج‌هایی در بازهٔ λ1 تا λ2 است. استفاده از پرتوهای X تکفام و با شدت مناسب، در آنالیز عنصری کاربرد بسیار دارد. اما در طیف Xهای برگشتی از نمونه، قله‌هایی که مربوط به پراکندگی کشسان و ناکشسان است مشاهده می‌شود و در بررسی این قله‌ها پدیده‌هایی مشاهده می‌شوند که طبیعی به نظر نمی‌رسند. که این مربوط به دو خط Ka و KB است که پس از برخورد با نمونه‌های فلزی آشکار شده است اما نسبت این دو خط در پراکندگی کشسان تغییر می‌کند. حدس ما برای تعبیر این تغییر شدت، تاثیر ساختار بلوری در پراکندگی (اثر براگ) پرتو X است. و اگر این حدس صحیح باشد می‌توان از آن برای تولید پرتو تکفام X استفاده کرد.

برای بررسی صحت این حدس ابتدا سیستم آزمایش مناسبی را برای بررسی این پراکندگی ساختیم و به موازات آن با توجه به محاسبات تئوری که در فصل اول راجع به پراکندگی براگ ارائه کردیم آزمایش را در فصل سوم شبیه‌سازی نمودیم و شکل باریکه X خروجی را شبیه‌سازی کردیم. نمودار شدت پرتوهای X خروجی ناشی از هدف Zr در دو راستای X و Y است که از آزمایش بدست آمده است همین نمودارها است که شبیه‌سازی شده است بوضوح توافق نتایج تجربی با شبیه‌سازی مشخص است. شبیه‌ سازی برای نمونه‌های دیگری نیز انجام شده است.

با استفاده از این شبیه سازی می‌توان سطح مؤثر برخورد پرتوهای X با نمونه را محاسبه کرده و با استفاده از اندازه این سطح، ابعاد مناسبی را برای نمونه پیش بینی کنیم.شبیه سازی ما قابلیت این را دارد که این سطح را برای حالاتی که پرتو فرودی با پرتو پراکنده شده زوایای مختلفی می‌سازد، محاسبه کند. این نتایج برای هدف Ti (تیتانیوم) و برای هدف Zr (زیرکونیم) نشان داده شده است. توافق نتایج نظری و تجربی نشان‌دهنده مناسب بودن این آرایش آزمایش، برای بررسی مسئله پراکندگی است.

پس با این سیستم آزمایش، پراکندگی را یک بار از روی یک نمونه مسی و یک بار از روی نمک طعام، بررسی کردیم در این آزمایش ها هدف Ti بود که نسبت Ka/KB=100/13 است. اما این نسبت در زوایای مختلف پراکندگی تغییر می‌کند در آزمایش انجام شده با نمونه مسی این تغییرات از 0/31 تا 230 برای زوایای 27/5 درجه تا 47/5 درجه، و برای نمونه نمک طعام تغییرات از 0/015 تا 2680 برای زوایای 5/12 درجه تا 30 درجه است که در برخی زوایا KB ماکزیمم و در برخی زوایا Ka ماکزیمم است .مشاهده می‌شود که نسبت (Ka)Nal/(Ka)Cu درصد 124 است. یعنی شدت قله‌های Nal از مس بسیار بیشتر است.

از طرفی با توجه به رابطه براگ و مشخص بودن انرژی و در نتیجه طول موج Ka و KB مربوط به Ti می‌توان زوایایی را که این طول موجها در آنها ماکزیمم پراش را دارند محاسبه کرد.برای مثال برای انرژی KB این زاویه 41/28 درجه از صفحه (111) مس و 49/16 درجه از صفحه (200) مس است که با نتایج تجربی بدست آمده مطابقت دارد.

بنابراین حدس ما در مورد تاثیر پراش براگ در تغییر نسبت Ka و KB صحیح است .پس با انتخاب زاویه مناسب می‌توان شدت یکی از پرتوهای Ka یا KB را ماکزیمم کرد و به این ترتیب اشعه X تکفام تولید نمود. اگر بتوانیم شکل هندسی مناسبی برای پراکنده انتخاب کنیم تا شدت پرتوها را بیشتر و آن را کانونی کند، می‌توان پرتو تکفام با شدت مناسب برای آنالیز عناصر بدست آورد.در این راستا با توجه به آزمایشهای فوق انتخاب یک پراکننده کروی، امکان می‌دهد تا کلیه پرتوهایی را که تحت زاویه مشخصی بازتابیده‌اند، در یک نقطه جمع کنیم.این سیستم را در فصل سوم شبیه‌سازی نمودیم و نتایج توزیع شدت پرتوها را روی صفحه نمونه بدست آوردیم. انجام آزمایش های مربوط به این حالت و شبیه‌سازی سیستم کاملتر خود پروژه مفصلی است که شبیه‌سازی ما نقطه شروعی برای آن است .

اجرای عملی ساخت پراکننده کروی (در مورد مس یا فلز مناسب دیگر) و ساخت محفظه آزمایش مناسب دارای پیچیدگی و مشکلات است که باید با استفاده از روشهای مناسب حل شود.

در مورد استفاده از تک بلور با توجه به شدت زیاد پرتو پراشیده، می‌توان به تک بلوری نسبتا کوچک (چند سانتی‌متر مربع) اکتفا کرد. اما برای اینکه پرتو X پراشیده متمرکز باشد لازم است که این تک بلور منحنی باشد. ساخت تک بلور منحنی دشواری های زیادی دارد که به نظر نمی‌رسد در چهارچوب تکنولوژی حاضر کشور قابل حل باشد.

آزمایش ها و محاسبات این نوشته نشان می‌دهد که می‌توان از پدیده پراش پرتو X (حساس به طول موج) برای تکمیل روشهای مرسوم در آزمایشگاه و اندوگراف (حساس به انرژی) استفاده کرد.

روش های تولید

در هنگام برخورد الکترون های با سرعت بالا به فلزات، الکترون‌های لایه‌های پایین‌تر به لایه‌های بالاتر منتقل شده (اتم‌ها برانگیخته می‌شوند) و در هنگام برگشت الکترون‌ها به حالت پایه انرژی مازاد را به صورت پرتو ایکس گسیل می‌کنند.

بنابراین هر لامپ تولید پرتو ایکس باید شامل: منبع الکترون ، میدان شتاب‌دهنده به الکترون ها و هدف فلزی باشد. به علاوه از آنجایی که قسمت عمده‌ی انرژی جنبشی الکترون ها هنگام برخورد به فلز هدف، به حرارت تبدیل می‌شود، معمولاً فلز هدف را با آب خنک می‌کنند تا ذوب نشود.

پرتوهای ایکس را بوسیله بمباران هدفی فلزی با باریکه‌ای از الکترون های سریع تولید می کنند. قطعات اصلی لامپ اشعه ایکس شامل کاتد برای گسیل الکترونها و آند به عنوان هدف می‌باشد، که هر دو درون لامپ خلا جای گرفته‌اند. با توجه به میزان نفوذ اشعه ایکس و فرکانس مربوطه‌اش از لامپ های اشعه ایکس متنوعی در کارهای تحقیقاتی، پزشکی، صنعت و … استفاده می‌کنند.

طیف اشعه ایکس

اشعه تولید شده بوسیله لامپ اشعه ایکس یک طول موج ندارد. بلکه شامل گستره‌ای از طول موج هاست. پرتوهای ایکس بوسیله دو نوع فرایند تولید می‌شوند: شتاب منفی الکترون ها در موقع برخورد با انتهای ماده هدف پرتوهای ایکسی با طول موجهای متفاوت تولید می‌کند.

این پرتو سفید یا نوار پیوسته فرکانس ها در طیف اشعه ایکس را به عنوان تابش ترمزی می‌شناسند. برخورد الکترون با اتم هدف موجب جابجایی الکترون مداری در اتم هدف و راندن آن به حالت پر انرژی‌تری می‌شود. این عمل را برانگیزش می‌نامند.

هنگامی که الکترون مداری پر انرژی به موقعیت مداری نخستین خود برمی‌گردد، رها شدن انرژی بصورت گسیل پرتوی با فرکانس خاصی خواهد بود. این پرتو شدت خیلی بیشتری نسبت به پرتو سفید زمینه خواهد داشت.

معمولا برای هر ماده هدف معینی بیش از یک طول موج اشعه ایکس وجود دارد. طول موج پرتو تولید شده بوسیله لامپ اشعه ایکس ، حد پایینی دارد که با ولتاژ لامپ نسبت عکس دارد. پرتو حد پایینی طول موج طیف، بیشترین اهمیت را در پرتو نگاری دارد. زیرا توانایی نفوذ آن بیشتر است.

مشخصه های بارز اشعه ایکس

بزرگی جریان لامپ بر پخش طول موج اشعه ایکس تولید شده تأثیر ندارد. اما بر روی شدت پرتو موثر است. طول موج اشعه ایکس یا اشعه گاما بسیار مهم است. با کاهش طول موج ، نفوذپذیری پرتو به درون محیط افزایش می‌یابد. به بیان دیگر در مقایسه با پرتوی با طول موج بزرگتر ، پرتوی با طول موج بسیار کوتاه قادر به نفوذ به ماده معینی با ضخامت بیشتر و یا چگالی بیشتر خواهد بود. بنابراین ، اگر حداقل طول موج پرتو تولید شده با افزایش ولتاژ لامپ کاهش یابد، نفوذپذیری پرتو افزایش خواهد یافت.

اثرات بیولوژیکی پرتو X

نفوذ پذیری پرتوهای ایکس تولید شده از پرتوهای گاما کمتر بوده اما برای پرتوهای ایکس تولید شده در لامپ های اشعه ایکس بوسیله چشمه‌های پرانرژی در خصوص فولاد نیز دیده می‌شود. باید توجه کرد که بیشترین ضخامت های استفاده از زمانهای پرتودهی چند دقیقه‌ای و فیلمی با سرعت متوسط می‌توان مورد بررسی قرار داد. مقاطع ضعیفتر را با استفاده از زمان های پرتودهی طولانی و فیلمی با سرعت زیاد می‌توان بررسی کرد.

تحقیقات دهه های اخیر مخاطرات پرتوهای یونساز را بطور قطع روشن کرده است. برهمین اساس امروزه اثرات بیولوژیکی پرتوهای یونساز را به سه گروه مختلف طبقه بندی می کنند:

اثرات قطعی بدنی یا جسمانی:

جزو آثار اولیه یا زودرس بوده که وقوع آنها حتمی است. که از سرخی پوست « Erythema» تا نکروز سلول ها و عقب افتادگی رشد زمانی «که حاصل تابش مناطق اپی فیزییال در کودکان است» متفاوت است.

آثار آماری بدن:

همانطور که از نام آنها پیداست آماری بوده که از مهمترین آنها لوسمی « Leukemia » انواع سرطان ها و کوتاهی عمر است. نام دیگر این آثار، آثار دیررسی است.

اثرات ژنتیکی:

اثراتی که در فرزندان و نسل های آینده افراد مورد تابش ظاهر می شوند و ناشی از اثر پرتو بر روی DNA می باشد .

اثر اشعه روی سلول ها: به دو عامل مقدار اشعه و نوع سلول بستگی دارد. بطور کلی هر چه زمان تابش اشعه کمتر باشد اثر آن زیادتر است زیرا در طی آن فرصت برای ترمیم  سلول وجود ندارد.

اثر اشعه در قسمت های مختلف سلول و همینطور انواع سلول یکسان نمی باشد و همینطور این اثرات در حالات مختلف یک سلول متفاوت می باشد . طبق تجربه هسته سلول 25 بار حساس تر از سیتوپلاسم است از طرفی می دانیم خاصیت تولید مثل مربوط به هسته بوده بنابراین ضایعات آن به مراتب وخیم تر می باشد به علاوه تغییرات هسته برعکس سیتوپلاسم قابل ترمیم نمی باشد. اگر چه همه سلول های زنده به اشعه X حساسند ولی این حساسیت در آنها متفاوت است.

طبق قانون برگونی و توبیوند هرچه فعالیت تقسیم سلولی زیادتر و فاصله آن از زمان تقسیم بعدی بیشتر و عمل فیزیولوژیکی آن نامشخص تر باشد حساسیت آن نسبت به اشعه X بیشتر خواهد بود .

در بین موجودات تک سلولی معمولاً باکتری ها حساسیت زیادی به اشعه ندارند اما با تابش پرتو X و سایر پرتوهای یونساز می توان کشت میکروبی را استریل کرد و بطور کلی حساسیت میکروب های بیماری زا خیلی کمتر از سلولهای بدن است و از حساس ترین سلول های بدن به ترتیب نزولی WBC و RBC موجود در طحال و تیموس و مغز استخوان و سلول های سمینال و مولد اپیدرم است .باید یادآوری کرد که هر گاه بافتی به هر علت مثلاً آماس به حالت جنینی بازگشت کند حساسیت آن به اشعه زیاد می شود.

اثرات اشعه بر گلبول های خونی: خود گلبول ها در برابر پرتو حساسیت زیاد ندارند اما سلول های تولید کننده آنها در غدد لنفاوی و طحال و مغز استخوان حساسیت بالایی دارند ودر بین آنها بافت لنفوئید از بقیه حساستر بوده و بافت میلوئید که شامل گلبول های سفید چند هسته ای است حساسیت کمتری دارد به همین دلیل لکوپنی زودتر از آنمی ظاهر می شود .

اثر اشعه بر سایر بافت ها: بافت های همبند دارای حساسیت کم در برابر اشعه هستند و عوارض ایجادی در آنها در نهایت آماس است ، غدد مترشحه نسبت به اشعه حساسیت زیاد داشته و منجر به اختلالاتی در ترشحات آنها می شود صلبیه چشم بخصوص در دوره جنینی به اشعه حساس بوده و در افراد بالغ گاه پس از چند ماه منجر به کاتاراکت می شود .

اثر اشعه بر غدد تناسلی: اگر بیضه در معرض تابش قرار گیرد حجم کار آن کم شده و تعداد اسپرماتوزوئیدها نیز کم شده و سپس به کلی از بین می رود اما فعالیت جنسی عادی است.

عقیمی ممکن است موقتی یا دائمی باشد. مقادیر کم اشعه که هیچ گونه ضایعه پوستی در بیضه ایجاد  نکند ممکن است منجر به عقیمی شود . پرتو X  بر تخمدان نیز اثر داشته و منجر به عقیمی موقت یا دائمی می شود ، هر چه فولیکول ها به مرحله رسیدگی نزدیکتر باشد به اشعه حساسترند که اگر دوز اشعه کافی نباشد عقمی موقت ایجاد می شود.

حتما بخوانید:

⇐ پاورپوینت اثر اشعه ایکس و الکتریسیته بر روی بدن

⇐ اثرات زیان‏بار تابش ایکس و گاما و مواجهه با آن‏ها

⇐ حفاظت و ایمنی در برابر اشعه