Возникновение и становление радиационной экологии

Открытие и применение рентгеновского излучения

В конце 1895 г. профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген, проконсультировавшись с профессором Боннского университета Ф. Ленардом, решил повторить опыты последнего по исследованию катодных лучей^[1].

Ленард, изучил проникновение катодных лучей сквозь тонкие металлические фольги и обнаружил, что это излучение может проходить через довольно толстые слои вещества и опубликовал на эту тему несколько статей. 8 ноября 1895 г. Рентген обнаружил неожиданное свечение фосфоресцирующего экрана, затененного от прямого воздействия катодных лучей и излучения трубки, покрытой светонепроницаемым черным картоном. Заметим, что еще Крукс обращал внимание на то, что фотографические пластинки, находившиеся недалеко от работающей трубки, оказывались с вуалью. Но лишь это и было сделано.

Только Рентген обратил внимание на изменения в фотоэмульсиях и предположил, что излучение возникает при ударе катодных лучей о стенки стеклянной трубки. Неизвестное излучение Рентген назвал «Х-лучами». В Германии и в России это излучение стали называть рентгеновским излучением.

В те же дни для иллюстрации и рекламы обнаруженного он сделал в этих лучах снимок левой руки своей жены, поместив ее кисть между источником излучения и фотографической пластиной (рис. 1.3).

После более чем месячных исследований Рентген описал их в десятистраничной статье под названием «О новом виде лучей». Так как с катодными лучами работали многие и давно, он очень опасался, что кто-нибудь опередит его. Он договорился у себя в университете и 28 декабря 1895 г. представил статью в журнал Вюрцбургского физико-медицинского общества. Не дожидаясь издания номера журнала, он получил через день 90 копий своей статьи и 1 января разослал их своим друзьям и коллегам.

Рис. 1.3. Копия оригинала снимка левой руки жены Рентгена¹, со всеми техническими недостатками того времени, сделанного 22 декабря 1895 г.

В девять из них были вложены снимки руки его жены. Через четыре дня в Вене появилась восторженная статья об открытии. Через день, 7 января 1896 г. подобные статьи появились в Лондоне и Франкфурте, затем в США публикуется статья о новом методе, несущем переворот в хирургии. Во всем мире специалисты и широкие слои населения были в восторге от открытия. 10 января 1896 г. на заседании Венского медицинского общества происходит обсуждение открытия и фотографии руки жены Рентгена, через неделю там же обсуждаются уже рентгенограммы членов общества и демонстрируется первая ангиограмма. Еще через неделю докладывается о результатах предоперативного применения излучения. Одновременно подобное происходит в Берлине и других городах.

Сам Рентген представил всего три статьи о Х-лучах. Вторую статью он опубликовал в марте 1986 г., а третью — в 1987 г. Кроме того, Рентген сделал еще два публичных представления своего открытия: 13 января 1896 г. — Кайзеру и его окружению в Берлине и 23 января 1896 г. — в Вюрцбурге, и дал одно интервью прессе, также в январе 1986 г. За откры-^[2]

тие Х-лучей В. К. Рентген был удостоен в 1901 г. первой Нобелевской премии по физике^[3].

Массовыми потребителями результатов этого открытия стали хирурги, получившие возможность делать рентгеновские снимки пациентов. Прежде всего, это были военные хирурги. Уже в 1896 г. итальянцы применили усовершенствованный рентгеновский аппарат в Абиссинии, английские хирурги — в Судане (1897—1898) и т. д. Российские военные рентгенологи трудились на греко-турецкой войне 1897 г. а затем — на русско-китайской войне 1900 г. По темпам распространения нового метода диагностики Россия в конце XIX в. не уступала европейским странам.

Другое применение было связано с такими воздействиями рентгеновского излучения, которые приводят к массовой гибели клеток. Самым простым проявлением этого являлись ожоги кожи и язвы на местах, подвергшихся интенсивному облучению вновь открытыми лучами. Рентгеновское излучение оказывало воздействие на здоровье человека еще до того, как оно было открыто. В 1897 г. был опубликован обзор, в котором упоминались 69 случаев заболевания в результате облучения Х-лучами. Это были результаты облучения (при работе с трубками Крукса), имевшие место, в основном, еще до открытия Рентгена.

Что же касается событий, непосредственно связанных с открытием Рентгена, то в США одно из самых первых медико-биологических применений Х-лучей — уже в январе 1896 г. — оказалось связанным с именем Э. Груббе. Он был студентом-медиком в Чикаго (но имел диплом фармацевта) и одновременно основал фабрику для производства вакуумных трубок Гейслера и Крукса. Экспериментируя с ними, он в декабре 1896 г. получил тяжелый дерматит на тыльной стороне левой руки. Через месяц он обратился к врачам, которые уже знали об открытии Рентгена. Они заключили, что у него, вероятно, дерматит, обусловленный Х-лучами. Произошло первое диагностирование воздействия Х-лучей, имевшее место до их обнаружения Рентгеном.

Груббе решил, что такое излучение может быть полезным для лечения рака или волчанки. Поэтому, почти без промедления, он нашел больных, на которых можно было бы экспериментировать. Ими стали миссис Ли — пациентка с неоперабельной изъязвленной раком левой грудью с системными и узловыми заболеваниями и господин Карр — пациент с изъязвленными красной волчанкой правой щекой и шеей. Он начал лечение обоих пациентов с помощью трубки Крукса, почти касающейся повреждений и с экспозицией 1 ч/день. Оба умерли в течение месяца, и никаких выводов не было сделано, кроме субъективного вывода о снижении боли. Поскольку Груббе являлся студентом-медиком и лечил умирающих пациентов новым недоказанным способом, он не пытался сразу опубликовать свой отчет о лечении.

В 1896—1897 гг. французский врач А. Беклер открыл первое, оснащенное экранами, фартуками и перчатками из свинца, рентгеновское отделение в Париже и ввел термин «радиология» — радиационная медицина. Другим пионером радиологии стал доктор М. К. Касабиан из Лондона.

В 1901 г. в Германии А. Фрибен описал новообразование, вызванное рентгеновскими лучами, у рабочего, изготовлявшего рентгеновские трубки (случай такой же, как у Груббе). К 1914 г. было описано уже 114 подобных случаев. Таким образом, открытие рентгеновского излучения предоставило человечеству мощный метод, суливший многое в биологии и медицине. Но одновременно оно столкнулось и с такими примерами воздействия рентгеновских лучей, как ожоги, язвы, выпадение волос, появление опухолей.

Рентгеновскими лучами интересовались и те, кого мы можем назвать экологами того времени. Из россиян следует отметить Ефима Семеновича Лондона и Ивана Рамазовича Тарханова (Тарханишвили), которые уже в 1896 г. начали радиобиологические исследования. Первый начал исследования в области рентгенорадиологии и экспериментальной радиобиологии. Второй — исследовал физиологические реакции на облучение разных органов лягушки и насекомых^[4] и обнаружил физиологические последствия воздействия облучения на ЦНС.

В первые годы после открытия рентгеновских лучей сообщения, так или иначе с ними связанные, не сходили с первых полос газет всего мира. Только за первый год после открытия было опубликовано 49 книг и —1000 научных статей, связанных с рентгеновским излучением. Они вдохновляли современных людей искусства. Ни в одной из публикаций не было сколько-либо серьезных попыток объяснить природу этого излучения. Такие работы появились существенно позже.

Что касается практических применений, то в те времена ученые обычно не занимались внедрением результатов своих исследований в производство и их патентованием. Примером явились супруги Кюри, заявившие, что результаты всех их трудов являются достоянием человечества. Хотя Рентген по образованию был инженером, он не принимал участия в создании аппаратуры для рентгенодиагностики и рентгенотерапии. Вместе с тем в своем первом сообщении об открытии Х-лучей Рентген указывал на применимость открытых лучей в медицине и для проверки качества обработки металлов.

Применением результатов научной деятельности занимались другие люди. Эти персоны, нацеленные на получение выгоды в кратчайшее время (менеджеры того времени), часто не могли, да и не желали представить себе последствий такой деятельности в будущем. Возникли и вскоре начали реализовываться опасные для всего живого примене;

№ 3. С. 37.

ния ионизирующего излучения. Этому способствовало отсутствие юридической и медицинской баз, регулирующих такого рода деятельность.

Многообразие применений открытия Рентгена в значительной степени определялось невероятной доступностью источников излучения¹ и такими их параметрами, как энергия и интенсивность излучения, характер спектра излучения, а также возможностями управления ими (рис. 1.4).

Рис. Т.4. Трубки, подобные представленной на рисунке, были просто отпаяны, не имели специального катода, а работали на оставшемся в них воздухе Они были доступны не только для институтов, но и для гимназий, медицинских учреждений и частной практики. Источником рентгеновских лучей была флуоресцирующая под ударами катодных лучей стеклянная стенка трубки. В 1913 г. появились рентгеновские трубки с горячим катодом, где электроны испускала нагретая вольфрамовая нить^{1[5][6]. Чувствительность и другие свойства фотографических эмульсий были также существенно улучшены. Появились специальные фотопленки, содержащие повышенное количество AgBr, нанесенного с обеих сторон.}

И, наконец, примерно в это же время стало возможным ответить на вопрос: что такое рентгеновское излучение? Определение «рентгеновское излучение — это излучение, испускаемое из рентгеновских трубок» перестало удовлетворять ученых.

С начала XIX в. в науке господствовала волновая теория света, рассматривающая свет как совокупность поперечных монохроматических электромагнитных волн. Она позволяла последовательно объяснять явления, связанные с интерференцией и дифракцией. В 1912 г. Макс фон Лауэ предложил направить узкий пучок рентгеновских лучей из обычной рентгеновской трубки (имеющей сплошной спектр) на неподвижный монокристалл. Если рентгеновские лучи имеют такую же природу, что и видимый свет, то монокристалл должен представить для них дифракционную решетку. Его ученики действительно получили дифракционную картину, создаваемую на фотопластинке, находящейся за кристаллом. Это была научная сенсация и многие, в том числе и сам Лауэ удивлялись тому, что раньше никто этого не сделал. Впервые в истории Нобелевская премия была присуждена всего через год после открытия — в 1914 г. Открытие Э. Резерфордом с сотрудниками в 1911 г. атомных ядер и появления планетарной модели строения атома позволило понять и происхождение характеристического рентгеновского излучения.

К середине XX в. были развиты и другие методы генерации рентгеновского излучения. В употребление вошел термин «тормозное излучение». Прогресс в создании ускорителей заряженных частиц привел к появлению бетатронов — циклических индукционных ускорителей электронов. Простота их конструкции, дешевизна и удобство в работе способствовали их широкому практическому применению. К термину «тормозное излучение» добавился термин «бетатронное излучение». Электромагнитное излучение релятивистских частиц, движущихся в переменных электрических и магнитных полях, стали называть ондуляторным излучением.

Появление каждого из этих методов сопровождалось улучшением характеристик излучения и, прежде всего, повышением интенсивности излучения. Расширялась и область его применения. Появление компьютеров привело к новой революции в использовании рентгеновского излучения. Была разработана и внедрена в медицинскую практику компьютерная томография. Сканировать человеческое тело целиком ученые научились уже в 1975 г., а видение стало трехмерным. В 1979 году Г. Хаунсфилд и А. Кормак получили за открытие и внедрение компьютерной томографии Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Особенно тщательно была изучена область длин волн между X = 30 нм и 1,0 нм, которая рассматривалась как промежуточная между рентгеновскими лучами и светом. При X > —30 нм поглощение уменьшается, становится более селективным и зависит не столько от атомных, сколько от молекулярных свойств вещества. В конечном счете теория строения атома, развитая Н. Бором, дала возможность объяснить аналогии, существующие между спектром света и спектром рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи стали рассматривать как электромагнитное излучение с меньшими длинами волн.

Таким образом, излучение рентгеновской трубки — это тормозное электромагнитное излучение, испускаемое в определенном диапазоне длин волн, зависящем от приложенного напряжения. На это излучение, имеющее сплошной спектр, при достаточных энергиях электронов накладывается характеристическое излучение вещества анода, состоящее из отдельных линий. В произвольно выбранный нами диапазон электромагнитных волн могут вносить вклад: источники света или ультрафиолета, рентгеновские трубки и синхротронное излучение, бетатроны и ондуляторы. Спектр излучения всегда зависит от конструкции и режима работы излучателя. Основные параметры — это: название источника и диапазон энергий излучения.

В практическом плане к середине XX в. знания в области рентгеновских лучей и возможности их практического применения, казалось бы, достигли насыщения. Действительность оказалась иной, и появился новый источник рентгеновского излучения — синхротрон^[7]. Синхротронное излучение импульсное, оно поляризовано и сильно коллимировано, а в ряде случаев обладает и пространственной когерентностью.

Спектр СИ более широкий, чем спектр рентгеновских трубок. Он содержит фотоны с энергиями как большими, так и меньшими энергий, характерных для излучения рентгеновских трубок. Тем не менее во всех случаях в основе лежит то, что как только движущийся электрон меняет направление — он излучает энергию. Чем быстрее движется электрон, тем большая энергия излучения достижима. Хорошим примером такого устройства является Европейский источник синхротронного излучения (ESRF, Гренобль). Основной его частью является накопительное кольцо — это труба длиной 844 м по окружности, где электроны циркулируют в течение нескольких часов со скоростью, близкой к скорости света (энергия 6 ГэВ). Внутри трубы очень низкое давление (около 10~⁷ Па). Из огромного объема исследований на ESRF в 2016 г. близко к трети были работы в области наук об окружающей нас среде.

По состоянию на 2017 г. ESRF являлся одним из наиболее крупных и совершенных источников СИ третьего поколения. Устройство производит жесткое рентгеновское излучение с энергиями от 10 до 120 кэВ. Для большинства задач и приложений, решаемых с помощью рентгеновского излучения, основными «потребительскими» характеристиками являются спектральная яркость — В_А излучения и его поток. Поток определяет число фотонов в секунду. Он является удобной мерой для экспериментов, в которых используется весь несфокусированный рентгеновский пучок. В_х = N_ph/(S-Q), определяется числом фотонов N_ph, излучаемых в единицу времени в данной спектральной полосе (АЛД.) с единицы площади S в единицу телесного угла ?2.

В_к определяет пятно, в которое может быть сфокусирован рентгеновский пучок, что особенно важно для проведения измерений на микроскопических объектах. У традиционных рентгеновских трубок за 60 лет яркость увеличилась приблизительно в 100 раз.

С приходом СИ яркость доступного рентгеновского излучения начала резко возрастать. История этого роста представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Динамика изменения яркости источников рентгеновского излучения. Первые рентгеновские трубки имели яркость ~10^б фотонов в 1 с на (1 мм²-мрад²-(0,1% ЛЛ/Л) С момента открытия рентгеновское излучение являлось самым ярким, с учетом его энергии, источником ионизирующего излучения.

В конце XX в. опять наметилось нечто совершенно новое — создание рентгеновских лазеров с длительностью импульса излучения ~1 фемтосекунды (10-¹⁵ с) и яркостью излучения, превышающей яркость современных источников СИ на 10—12 порядков.

Источником излучения в этом случае является линейный ускоритель. К сожалению, это область возможных военных применений и грядущих сильных воздействий на окружающую среду. Заметим, что уже во время второй Мировой войны в фашистской Германии пытались создать рентгеновскую установку для войны в воздухе. О возможных последствиях таких воздействий мы можем пока только строить догадки. С яркостью такого источника можно сравнивать только яркость вспышки при взрыве большой термоядерной бомбы, при всем различии природы этих событий.

Сразу после открытия рентгеновского излучения ученые решили, что вокруг них, как в лабораториях, так и в окружающей среде, есть, наверное, и еще «что-то», с чем они постоянно сталкиваются, но не обращают на это никакого внимания даже тогда, когда это «что-то» оказывает на них воздействие. Поэтому во всех странах начались интенсивные работы по поиску новых излучений и анализу того, что было сделано или опубликовано за последние 50 лет. Физиков захватил период «лучевой лихорадки». Последовавшее открытие радиоактивности не было случайностью, оно было подготовлено ходом развития науки.

• [1] Х-лучи проявили себя почти за 40 лет до открытия Рентгена в опытах профессора Бонского университета Ю. Плюккера (—1856 г.) по наблюдению флюоресценции стекла в вакуумной трубке, к которой было приложено высокое напряжение. И Плюккер, и его последователи облучались Х-лучами, о существовании которых онине догадывались. Затем профессор У. Крукс (—1875 г.) усовершенствовал эту трубку. Подобные устройства стали использоваться во многих лабораториях мира и дажев гимназиях, вызывая облучение все новых экспериментаторов. Рентген слегка модифицировал разрядную трубку Ленарда, изобретенную в 1892 г., и любезно предоставленную ему автором.
• [2] Первый рентгеновский снимок, сделанный 22 декабря 1895 г. На снимке рукаАнны Берты, жены Рентгена.
• [3] 2 Он получил нобелевскую медаль по почте, не прочитав нобелевской лекциив Стокгольме.
• [4] Его статья «Опыт над действием рентгеновых Х-лучей на животный организм"была напечатана в «Известиях Санкт-Петербургской биологической лаборатории». 1896.
• [5] В процессе получения представленного на рис. 1.3 снимка, жена Рентгена получила воздействие на руку, в 1500 раз превышающее воздействие, оказываемое современными приборами при получении подобного снимка. Кроме того, она должна быладержать кисть руки неподвижной довольно долго (сейчас это требует —20 мс. Поначалуоб этом никто не задумывался, и популярность метода росла.
• [6] В излучение превращается 0,2—0,8% кинетической энергии электронов, а остальная энергия рассеивается в виде теплоты. Плотность энергии, рассеивающейся в анодемощных рентгеновской трубки, так велика, что анод может расплавиться в течениеминуты, если эту теплоту не отводить.
• [7] Синхротрон — это циклический ускоритель заряженных частиц, представляющийсобой электровакуумную установку с приблизительно кольцевой вакуумной камерой, в которой частицы (электроны или позитроны), подталкиваемые продольными импульсами электрического поля, ускоряются до скорости, очень близкой к скорости света, а стоящие у них на пути мощные постоянные магниты своим магнитным полем направляют их движение по замкнутой траектории.