Раздел физики Ионизирующие излучения Дозиметрия Тема Рентгеновское излучение

Раздел физики: Ионизирующие излучения. Дозиметрия Тема: Рентгеновское излучение (РИ)

I. Понятие ионизирующего излучения. Определение РИ. Устройство рентгеновской трубки Ионизирующее излучение – это потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул Виды ионизирующих излучений: 1. Рентгеновское излучение (РИ) 2. g - излучение a 3. Потоки -частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов 4. УФ-излучение

Рентгеновское излучение (РИ) – это электромагнитные волны с длиной волны l от 80 до 10 -5 нм (т. е. l = от 8. 10 -8 м до 10 -14 м) Длина волны (м) Гамма-излучение РИ УФ ИК Радио-волны Коротковолновое РИ перекрывается с длинноволновым гамма-излучением Длинноволновое РИ перекрывается с коротковолновым УФ-излучением

Рентгеновская трубка – источник РИ Это 2 -х электродный вакуумный прибор К электродам приложено высокое напряжение Анод (антикатод) Катод + “+“ Вакуумный баллон “-“ - Ускоренные электроны Фотон РИ Подогреваемый катод – источник ускоренных электронов за счет термоэлектронной эмиссии Анод выполнен из тугоплавких материалов с большим порядковым номером (например, из вольфрама) Под действием высокого напряжения (U) электроны, испущенные катодом ускоряются до больших энергий Кинетическая энергия электронов: Eк = e. U

Виды рентгеновского излучения (по способу получения РИ) тормозное характеристическое

II. Тормозное РИ возникает в результате торможения ускоренных электронов электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов вещества анода Замедленный е- Ядро Ускоренный е- Атом Фотон РИ

Механизм возникновения тормозного РИ: С движущимся ускоренным электроном связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости e- При торможении e- уменьшается магнитная индукция В соответствии с теорией Максвелла, изменение магнитной индукции вызывает появление электромагнитной волны – рентгеновского излучения

Спектр тормозного РИ Спектр РИ – это зависимость потока РИ (Fl) от длины волны (l) Fl lmin l Спектр тормозного РИ – сплошной (непрерывный). В спектре есть коротковолновая граница lmin

Почему спектр тормозного РИ сплошной? Энергия ускоренного e- (Eк= e. U) при его торможении расходуется на: нагревание анода образование фотона РИ (Еф = hn) случайное соотношение Катодом испускаться множество e-, каждый из которых излучает фотон РИ разной длины волны (частоты). Поэтому, спектр излучения СПЛОШНОЙ

Откуда берется lmin ? Коротковолновая граница спектра тормозного РИ (lmin) возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона РИ: lmin зависит только от кинетической энергии ускоренных электронов

Спектральный состав тормозного РИ зависит от напряжения (U) в рентгеновской трубке Fl U 1>U 2 U 1 lmin 1< lmin 2 U 2 lmin 1 lmin 2 l С увеличением U коротковолновая граница спектра (lmin) смещается в область коротких длин волн, а поток РИ ( Fl) остановится сильнее

Жесткое РИ (наиболее коротковолновое) – обладает большей проникающей способностью, чем мягкое РИ Fl U 1 Мягкое РИ (наиболее длинноволновое) – сильнее поглощается веществом U 2 lmin 1 lmin 2 Увеличивая напряжение U можно увеличить долю жесткой компоненты в РИ l

Поток рентгеновского излучения (Фl) прямо пропорционален квадрату напряжения ( U ) между анодом и катодом, силе тока ( I ) в рентгеновской трубке и порядковому номеру ( Z ) вещества анода k – коэффициент пропорциональности k = 10 -9 В-1

I, Z и Т (температура накала катода) влияют на поток тормозного РИ и не влияют на его спектральный состав I 1 Fl I 2 lmin Z 1 Fl I 1> I 2 Z 2 l lmin Z 1> Z 2 l

I 1 Fl I 2 Z 1 Fl I 1> I 2 Z 1> Z 2 l lmin Т 1 Fl Т 2 lmin T 1> T 2 l

III. Характеристическое РИ возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают вглубь атома вещества анода и выбивают электроны из его внутренних слоев. На свободные места переходят электроны с верхних энергетических уровней , в результате чего высвечиваются фотоны РИ Получить характеристическое РИ можно путем увеличения напряжения (U) в рентгеновской трубке

А) выбивание электрона из внутреннего слоя атома Замедление скорости е- Ускоренный е- Выбитый е- С внутреннего уровня б) переход электрона с верхнего уровня на свободное место е. Фотон РИ

Спектр характеристического РИ Всегда возникает на фоне сплошного спектра РИ Спектр характеристического РИ – линейчатый Fl Характеристические линии Сплошной спектр lmin l

Особенности спектра характеристического РИ: 1. Характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны , т. к. внутренние слои атомов одинаковы и отличаются только энергетически 2. Характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра 3. Частота спектральной линии описывается Законом Мозли: n – частота спектральной линии характеристического РИ Z – атомный номер испускающего элемента A и B – постоянные

Особенности спектра характеристического РИ: по частоте спектральной линии характеристического РИ можно узнать атомный номер порядкового элемента

Особенности спектра характеристического РИ: 4. Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит Например, спектр характеристического РИ атома кислорода одинаков для О 2, и Н 2 О тогда как оптические спектры этих соединений отличаются

IV. Взаимодействие РИ с веществом IV. 1. Первичные процессы взаимодействия РИ с веществом зависят от соотношения: a) Энергии фотона РИ (Еф= hn) б) работы ионизации Аи – энергии, необходимой для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы

Виды первичных процессов взаимодействия РИ с веществом : а) когерентное (классическое) рассеяние б) некогерентное рассеяние (Эффект Комптона) в) фотоэффект

а) Когерентное (классическое) рассеяние Характерно для длинноволнового (мягкого) РИ возникает, если энергия фотона РИ меньше энергии ионизации: hn < А и е- ядро У фотонов рассеянного РИ изменяется только направление Длина волны и энергия рассеянного РИ не hn (фотон РИ) hn (рассеянный фотон РИ) изменяется Когерентное рассеяние РИ не вызывает биологического действия. Его учитывают при рентгеноструктурном анализе

б) некогерентное рассеяние (эффект Комптона) Характерно для коротковолнового (жесткого) РИ возникает, если энергия фотона РИ намного больше энергии ионизации: hn >> Аи Происходит отрыв электрона от атома и образование рассеянного РИ (hn’) (фотон РИ) hn е. Электрон отдачи hn ’ (рассеянный фотон РИ, вторичное РИ) Частота рассеянного РИ меньше, чем у падающего РИ Биологическое действие – ионизация молекул и атомов

в) Фотоэффект В результате фотоэффекта Фотон РИ поглощается атомом вещества и образуется электрон отдачи возникает фотоэффект, если энергия фотона РИ достаточна для совершения работы ионизации: hn > А и (фотон РИ) hn е. Электрон отдачи Биологический эффект – ионизация вещества

IV. 2. Явления, наблюдаемые при действии РИ на вещество А) Рентгенолюминесценция – свечение веществ, т. е. излучение квантов света под действием РИ возникает, если энергии поглощенного фотона РИ не достаточно для ионизации атома вещества, но достаточно для возбуждения атома или молекулы (фотон РИ) Приводит к фотохимическим реакциям (например, засвечивание фотопленки под действием РИ) hn hn ’ hn’’ Кванты люминесценции

б) химическое действие – например, образование перекиси водорода в воде в) ионизирующее действие – например, увеличение электропроводности под действием РИ

IV. 3. Закон ослабления РИ веществом Поток РИ в веществе ослабляется по закону: Поток РИ в веществе Падающий поток РИ m – линейный коэффициент ослабления (зависит от плотности вещества)

Массовый коэффициент ослабления (не зависит от плотности вещества): k– коэффициент пропорциональности

V. Физические основы применения РИ в медицине Виды рентгенодиагностики рентгеноскопия (просвечивание) рентгенография (фиксация на пленке) рентгеновская (компьютерная) томография

рентгенография (фиксация изображения на пленке) двухмерное изображение

Рентгеновская (компьютерная) томография Послойное сканирование изображения и фиксирование его на пленке Детектор РИ Источник РИ

Рентгеновская (компьютерная) томография