Kỷ niệm 125 năm khám phá tia X vào ngày 8 tháng 11 năm 1895

Bài báo gồm hai phần này, do Excillum AB (Tác giả, Tiến sĩ David Bernard, Chuyên gia tư vấn tia X cho ngành công nghiệp điện tử) ủy quyền thực hiện, nhằm kỷ niệm 125 ^năm ngày phát hiện ra tia X vào ngày 8 tháng 11 năm 1895. Phần đầu tiên này điểm lại lịch sử của tia X và việc sử dụng chúng từ đó đến nay. Phần thứ hai sẽ xem xét lịch sử và những phát triển gần đây của các nguồn tia X và cho thấy khả năng và việc sử dụng chúng tiếp tục phát triển như thế nào cũng như tác động của chúng.

Phần 1 – Những năm đầu đời

Wilhelm Conrad Röntgen (hình ảnh từ www.nobelprize.org)

Tia X là một dạng xuyên thấu của bức xạ điện từ năng lượng cao nằm giữa tia UV và tia gamma trong quang phổ điện từ. Chúng được phát hiện lần đầu tiên vào ngày 8 tháng 11 năm 1895 khi Wilhelm Conrad Röntgen tình cờ phát hiện ra các hiệu ứng của chúng để tạo ra hình ảnh trên màn hình huỳnh quang, và sau đó là trên các tấm phim ảnh, cách một ống Crookes hoặc ống tương tự được che khuất về mặt quang học. Điều này có nghĩa là tia X đã được các nhà thí nghiệm tạo ra từ đầu năm 1875, khi các ống Crookes và những thứ tương tự được tạo ra lần đầu tiên.

Tuy nhiên, chính Röntgen là người đầu tiên nhìn thấy hiệu ứng của chúng và điều mà ông đã mô tả trong bài báo 'Về một loại tia mới' được xuất bản vào ngày 28 tháng 12 năm 1895. Röntgen gọi khám phá của mình là tia X để chỉ ra rằng khi đó nó là một thứ chưa biết. loại bức xạ. Tuy nhiên, trong nhiều ngôn ngữ cho đến ngày nay chúng vẫn được gọi là tia Röntgen. Khám phá này được công nhận vào năm 1901 khi Röntgen được trao giải Nobel Vật lý đầu tiên. Kể từ khi phát hiện ra tia X, việc sử dụng chúng để phân tích và chẩn đoán là một trong những lĩnh vực được nghiên cứu rộng rãi nhất trong khoa học và kỹ thuật. Thật đáng ngạc nhiên khi lưu ý rằng trong quý đầu tiên của thế kỷ 20 ^, gần một nửa số giải thưởng Nobel được trao có liên quan đến những đóng góp trong lĩnh vực này.

Bản in hình ảnh X-quang 'y tế' đầu tiên. (Tham khảo: Kevles, Bettyann & Holtzmann (1996). 'Hình ảnh y tế trần trụi đến tận xương trong thế kỷ 20'. Camden, NJ: Nhà xuất bản Đại học Rutgers.

Röntgen đã nhanh chóng nhìn ra ý nghĩa y học và cơ hội khám phá của mình, như bức ảnh X-quang đầu tiên nổi tiếng chụp bàn tay của vợ ông là Anna vào ngày 22 tháng 12 năm 1895. Ông nhận ra rằng tia X cung cấp một phương pháp không xâm lấn để điều tra bên trong cơ thể. Thật thú vị khi lưu ý rằng, vì những lý do đạo đức cá nhân, Röntgen đã từ chối cấp bằng sáng chế cho khám phá của mình về tia X, vì ông muốn xã hội nói chung được hưởng lợi từ các ứng dụng thực tế của chúng. Kết quả là, điều này nhanh chóng dẫn đến sự bùng nổ trong các tài liệu nghiên cứu và sự phát triển thành tia X và thiết bị tia X trên toàn thế giới, theo cách tương tự mà ngày nay có thể quen thuộc hơn với chúng ta trong những gì đã xảy ra sau khám phá ban đầu về graphene .

Việc sử dụng rộng rãi tia X mới được phát hiện trong y tế đã phổ biến chỉ trong vòng vài năm. Các cuộc điều tra bằng tia X đã được sử dụng rộng rãi trong chiến tranh thế giới thứ nhất, nơi mà ngay cả những người đoạt giải Nobel hiện tại và tương lai, hai mẹ con Marie và Irène Joliot-Curie cũng vận hành các đơn vị X-quang di động và cố định cho những người lính bị thương ở Bỉ.

Nhanh chóng tiếp nối các ứng dụng y tế chẩn đoán của hình ảnh X-quang 2D mới được phát hiện là việc sử dụng tia X để điều trị, những phát triển của nó ngày nay được nhìn thấy và sử dụng để điều trị ung thư thông qua xạ trị và xạ trị. Bên ngoài lĩnh vực y tế, các nguồn tia X đang được sử dụng cho các kỹ thuật mới khác cho phép khám phá những điều tuyệt vời mới. Những kỹ thuật này bao gồm phương pháp nhiễu xạ tia X, tán xạ ngược Compton và phương pháp huỳnh quang. Vì vậy, ví dụ, chỉ mất 58 năm kể từ ngày có hình ảnh tia X đầu tiên cho đến khi tia X được sử dụng để xác nhận cấu trúc của DNA thông qua nhiễu xạ tia X. Hiện nay huỳnh quang và nhiễu xạ tia X tiếp tục đóng vai trò quan trọng đối với phân tích vật liệu.

Kính hiển vi tia X

Irène Joliot-Curie leo xuống từ 'xe phóng xạ' 1916 © Association Curie Joliot-Curie

Ngoài các ứng dụng y tế, một trong những bước phát triển sâu rộng nhất khác đối với việc sử dụng tia X mới xuất hiện vào năm 1951 khi Cosslett & Nixon phát minh ra kính hiển vi tia X (bóng tối) tại Đại học Cambridge. Họ đã chỉ ra rằng việc di chuyển một vật thể đến gần tiêu điểm của nguồn tia X, khi có một vị trí máy dò cố định, sẽ tạo ra hình ảnh (bóng) ngày càng được phóng đại của vật thể tại máy dò. Độ phóng đại hình học của hình ảnh thu được được tính bằng tỷ lệ giữa khoảng cách của tiêu điểm nguồn đến máy dò, với khoảng cách của tiêu điểm nguồn đến đối tượng.

Hầu hết các thiết bị X-quang công nghiệp đều tuân theo khái niệm thiết kế này để tạo ra hình ảnh tốt đi kèm với mức độ phóng đại chấp nhận được cho nhiệm vụ điều tra. Điều này khác với các ứng dụng y tế điển hình trong đó đối tượng (ví dụ: chi) được đặt trên máy dò (ví dụ: phim) và do đó cung cấp hình ảnh không phóng đại. Kính hiển vi tia X đã cho phép sử dụng thực tế và đa ngành để điều tra không phá hủy và kiểm soát chất lượng trong các lĩnh vực như vậy, trong số những lĩnh vực khác, như:

Việc sản xuất các linh kiện điện tử và bảng mạch ngày càng thu hẹp.
Các vấn đề về an ninh lương thực, chẳng hạn như xác định khả năng nhiễm bẩn từ nguyên liệu thô hoặc thiết bị sản xuất.
Giám sát độ dày và khuyết tật trên toàn bộ các ứng dụng kiểm tra không phá hủy, chẳng hạn như đối với vật đúc và mối hàn ống.
Kiểm soát chất lượng và an toàn trong sản xuất lốp xe.
Kiểm soát chất lượng dược phẩm.
Các ứng dụng bảo mật.

Sơ đồ Kính hiển vi tia X (bóng) trình bày cách tính toán độ phóng đại hình học của hình ảnh đối tượng khi nhìn thấy ở máy dò.

Godfrey N. Hounsfield (hình ảnh từ www.nobelprize.org)

Hình ảnh X-quang 2D, có hoặc không có độ phóng đại, đã mang lại những lợi ích tuyệt vời kể từ khi được phát hiện. Bước phát triển quan trọng tiếp theo là vào cuối những năm 1960 khi Godfrey Hounsfield bổ sung chiều thứ ba cho phân tích tia X với việc phát hiện ra Chụp cắt lớp có sự hỗ trợ của máy tính, hiện nay thường được gọi là CT. Điều này không chỉ cung cấp khả năng cắt không phá hủy qua các lớp khác nhau của một vật thể có hoặc không có độ phóng đại, cho dù đó là bản chất y tế hay công nghiệp, người ta có thể tranh cãi rằng nó còn thúc đẩy các kỹ thuật hình ảnh mới lạ khác như Cộng hưởng từ Hình ảnh, hoặc MRI, đã cách mạng hóa y học chẩn đoán trong những năm gần đây. Hounsfield đã chia sẻ giải thưởng Nobel về Sinh lý học và Y học năm 1979 với Allan Cormack vì khám phá ra CT. Việc phát minh ra máy chụp cộng hưởng từ đã đoạt giải Nobel về sinh lý và y học năm 2003.

Bằng cách thêm chiều thứ ba vào phân tích tia X, CT không chỉ tăng cường khả năng chẩn đoán y tế và giúp xác định vị trí và điều trị khối u mục tiêu tốt hơn mà còn giúp các ứng dụng công nghiệp hiện có và mới như:

Tìm kiếm các nguồn dầu mới bằng cách điều tra cấu trúc của các mẫu đá.
Phân tích vật liệu mới và vật liệu tổng hợp.
Điều tra và kiểm soát chất lượng của sản xuất phụ gia là các ứng dụng công nghiệp từ in 3D.

Trong 125 năm kể từ khi Röntgen lần đầu tiên nhìn thấy tác dụng của những tia 'không xác định' đó, không phải mọi ứng dụng của tia X đều phát triển thành công. Ví dụ, máy thử giày bằng tia X từng phổ biến ở các cửa hàng giày ở Hoa Kỳ trong khoảng thời gian từ 1930 đến 1950.

Tuy nhiên, những lợi ích và cơ hội mà tia X đã mang lại trong một loạt các ngành công nghiệp và ứng dụng lớn hơn rất nhiều so với những thất bại nhỏ đó. Phần tiếp theo của bài viết này sẽ xem xét chi tiết hơn về lịch sử và sự phát triển của chính các nguồn tia X đã cho phép tất cả các ứng dụng tia X này xảy ra.