Vad är röntgenstrålar?

Röntgenstrålar är typer av elektromagnetisk strålning förmodligen mest känd för sin förmåga att se igenom en persons hud och avslöja bilder av benen under den. Tekniska framsteg har lett till kraftfullare och fokuserade röntgenstrålar samt allt större tillämpningar av dessa ljusvågor, från avbildning av teensiska biologiska celler och strukturella komponenter i material som cement till att döda cancerceller.  

Röntgenstrålar klassificeras grovt i mjuka röntgenstrålar och hårda röntgenstrålar. Mjuka röntgenstrålar har relativt korta våglängder på cirka 10 nanometer (en nanometer är en miljarddels meter), och därför faller de inom området för det elektromagnetiska (EM) spektrumet mellan ultraviolett (UV) ljus och gammastrålar. Hårda röntgenstrålar har våglängder på cirka 100 bildpunkter (en bildmätare är en biljard meter). Dessa elektromagnetiska vågor upptar samma region i EM-spektrumet som gammastrålar. Den enda skillnaden mellan dem är deras källa: Röntgenstrålar produceras genom accelererande elektroner, medan gammastrålar produceras av atomkärnor i en av fyra kärnreaktioner. 

Röntgenstrålars historia

Röntgenstrålar upptäcktes 1895 av Wilhelm Conrad Röentgen, professor vid Würzburg University i Tyskland. Enligt Nondestructive Resource Center: s "Radiohistoriens historia" märkte Röentgen kristaller nära ett högspänningskatodstrålerör med en lysrör, även när han skärmade dem med mörkt papper. Någon form av energi producerades av röret som trängde igenom papperet och fick kristallerna att glöda. Röentgen kallade den okända energin "X-strålning". Experiment visade att denna strålning kunde tränga in i mjuka vävnader men inte ben, och skulle producera skuggbilder på fotografiska plattor. 

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

Röntgenkällor och effekter

Röntgenstrålar kan produceras på jorden genom att skicka en högenergi-stråle av elektroner som krossar in i en atom som koppar eller gallium, enligt Kelly Gaffney, chef för Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. När strålen träffar atomen blir elektronerna i det inre skalet, kallad s-skalet, skrubbade och ibland kastade ut ur deras bana. Utan den elektron, eller elektron, blir atomen instabil, och så för atomen att "slappna av" eller gå tillbaka till jämvikt, sa Gaffney, en elektron i det så kallade 1p-skalet faller in för att fylla mellanrummet. Resultatet? En röntgen frigörs.

"Problemet med det är fluorescensen [eller röntgenstrålning som ges av] går i alla riktningar," berättade Gaffney. "De är inte riktade och inte fokuserbara. Det är inte ett mycket enkelt sätt att skapa en högenergi, ljus källa till röntgenstrålar."

Ange en synkrotron, en typ av partikelaccelerator som accelererar laddade partiklar som elektroner i en stängd, cirkulär bana. Grundfysiken antyder att varje gång du påskyndar en laddad partikel avger den ljus. Ljustypen beror på energin från elektronerna (eller andra laddade partiklar) och magnetfältet som skjuter dem runt cirkeln, sade Gaffney.

Eftersom synkrotronelektronerna pressas till nära ljusets hastighet avger de enorma mängder energi, särskilt röntgenenergi. Och inte bara några röntgenstrålar, utan en mycket kraftfull stråle med fokuserad röntgenljus.

Synchrotronstrålning sågs för första gången på General Electric i USA 1947, enligt European Synchrotron Radiation Facility. Denna strålning ansågs vara en olägenhet eftersom den fick partiklarna att förlora energi, men den erkändes senare på 1960-talet som ljus med exceptionella egenskaper som övervann bristerna i röntgenrör. En intressant egenskap hos synkrotronstrålning är att den är polariserad; det vill säga, de elektriska och magnetiska fälten hos fotonerna svänger alla i samma riktning, som kan vara antingen linjära eller cirkulära. 

"Eftersom elektronerna är relativistiska [eller rör sig i nära ljushastighet], när de avger ljus, hamnar det i fokus framåt," sade Gaffney. "Detta innebär att du inte bara får rätt färg på ljusa röntgenstrålar och inte bara en hel del av dem eftersom du har många elektroner lagrade, de släpps också företrädesvis ut i riktning framåt."

Röntgenavbildning

På grund av deras förmåga att tränga igenom vissa material används röntgenstrålar för flera icke-destruktiva utvärderings- och testapplikationer, särskilt för att identifiera brister eller sprickor i strukturella komponenter. Enligt NDT Resource Center "strålning riktas genom en del och på [en] film eller annan detektor. Den resulterande skugggrafen visar de inre funktionerna" och om delen är ljud. Detta är samma teknik som används på läkares och tandläkarkontor för att skapa röntgenbilder av ben respektive tänder. [Bilder: Fantastisk fiskröntgen]

Röntgenstrålar är också viktiga för transportsäkerhetsinspektioner av last, bagage och passagerare. Elektroniska avkänningsdetektorer möjliggör realtidsvisualisering av innehållet i paket och andra passagerarartiklar. 

Den ursprungliga användningen av röntgenstrålar var för att avbilda ben, som lätt kunde skiljas från mjuka vävnader på filmen som var tillgänglig vid den tiden. Mer exakta fokuseringssystem och mer känsliga detekteringsmetoder, som förbättrade fotografiska filmer och elektroniska avkänningssensorer har emellertid gjort det möjligt att skilja allt mer detaljerade och subtila skillnader i vävnadstäthet, samtidigt som man använder mycket lägre exponeringsnivåer.

Dessutom kombinerar datortomografi (CT) flera röntgenbilder till en 3D-modell av en intressant region.

I likhet med CT kan synkrotrontomografi avslöja tredimensionella bilder av inre strukturer av föremål som konstruktionskomponenter, enligt Helmholtz Center for Materials and Energy.

Röntgenterapi

Strålterapi använder strålning med hög energi för att döda cancerceller genom att skada deras DNA. Eftersom behandlingen också kan skada normala celler, rekommenderar National Cancer Institute att behandlingen planeras noggrant för att minimera biverkningar. 

Enligt den amerikanska miljöskyddsbyrån tappar så kallad joniserande strålning från röntgenstrålar ett fokuserat område med tillräckligt med energi för att helt rensa elektroner från atomer och molekyler och därmed förändra deras egenskaper. I tillräckliga doser kan detta skada eller förstöra celler. Medan denna cellskada kan orsaka cancer, kan den också användas för att bekämpa den. Genom att rikta röntgenstrålar mot cancertumörer kan det riva de onormala cellerna. 

Röntgenstronomi

Enligt Robert Patterson, professor i astronomi vid Missouri State University, inkluderar himmelskällor till röntgenstrålar nära binära system som innehåller svarta hål eller neutronstjärnor. I dessa system kan den mer massiva och kompakta stjärnresterna remsa material från sin följeslagare för att bilda en skiva med extremt het röntgenstrålande gas när den spiral inåt. Dessutom kan supermassiva svarta hål i centrum för spiralgalaxier avge röntgenstrålar när de absorberar stjärnor och gasmoln som faller inom deras gravitationsområde. 

Röntgenteleskop använder reflektioner i låg vinkel för att fokusera dessa högenergifotoner (ljus) som annars skulle passera genom normala teleskopspeglar. Eftersom jordens atmosfär blockerar de flesta röntgenstrålningar, görs observationer vanligtvis med hög höjdballonger eller kretsande teleskop. 

Ytterligare resurser

• För att lära dig mer, ladda ner denna PDF från SLAC med titeln "Early History of X-Rays."
• NDE / NDT Resource Center ger information om icke-destruktiv utvärdering / icke-destruktiv testning. 
• NASA: s uppdragssida om det elektromagnetiska spektrumet förklarar hur astronomer använder röntgenstrålar.

Denna sida uppdaterades 5 oktober 2018 av Managing Editor, Jeanna Bryner.