ЛЕКЦИЯ. Рентгеновское излучение.

ТЕМА.
ЛЕКЦИЯ. Рентгеновское излучение.
План лекции
1.Открытие рентгена. Свойства рентгеновских лучей.
2.Тормозное или характеристическое рентгеновское излучение.
3.Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.
4. Разновидности рентген - диагностики.
Открытие в 1896 году. Новые лучи Х - лучи.
Свойства рентгеновских лучей.
1)Вызывают свечение люминофора.
1) Проходят через стекло, бумагу, дерево, эбонит (вещество малой
атомной массы).
2) Задерживаются свинцом.
3) Засвечивают фотоматериалы.
4) Не отклоняются в магнитном поле.
5) Не заряжены.
В 1896г. Резерфорд и Томпсон открыли ионизирующее
излучение. В 1901 году - Нобелевская премия за открытие рентгена.
В 1979 году за открытие компьютерного томографа –
Нобелевская премия.
Источником рентгеновского излучения является трубка.
а) если ∆ ϕ = 100 ÷ 120 кВ – диагностическое рентгеновское излучение;
б) если ∆ ϕ = 160 ÷ 200 кВ – терапевтическое (для удаления опухолей).
При подогреве катода излучаются электроны → ускоряются
электрическим полем → ускоренные электроны тормозятся
веществом анода → часть энергии → преобразуется в тепло и только
3% идет на образование рентгеновского излучения.
В соответствии с формулой:
2
A = eU =
2
mυ 1
mυ 2
=
+ Q + hν ,
2
2
где υ 1 - скорость электрона перед анодом,
υ 2 - скорость электрона после взаимодействия с анодом
υ 2 < υ1.
Опасность рентгеновского излучения состоит в том, что
короткая длина волны обладает большой проникающей
способностью.
Коротковолновое тормозное излучение λ min возникает в
результате торможения электрона электростатическим полем
атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода.
Возникает тормозное РИ.
Механизм.
С движением электрического заряда связано магнитное поле,
индукция которого зависит от скорости электрона. При
торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии
с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.
Короткое излучение возникает, когда энергия приобретенная
электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергия
фотона:
he
hc
12,3
eU = hν max =
→ λ min =
или λ min =
.
λ min
eU
U
λ min = 10− 10 м.
При торможении большого количества электронов
образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения.
Спектр тормозного излучения – сплошной.
Если увеличить температуру накала катода, то возрастет
эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приводит к
увеличению числа фотонов рентгеновского излучения.
Спектральный состав не изменится.
Поток рентгеновского излучения
Ф = кIU 2 Z
Z – порядковый номер атома вещества анода;
к - 10− 9 B − 1 - коэффициент пропорциональности;
I – сила тока;
U – напряжение.
Ι Ι Характеристическое рентгеновское излучение.
Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, на фоне
сплошного спектра появляется линейчатый, который
соответствует характеристическому излучению.
Оно возникает вследствие того, что ускоренные электроны
проникают в глубь атома и из внутренних слоев выбивают
электроны. На свободные места переходят электроны с верхних
уровней, в результате высвечиваются фотоны
характеристического излучения:
Ε = hν
min
= Ε m − Ε n.
Так как энергетические уровни индивидуальны для каждого
атома, то набор частоты характеристического излучения
специфичен для каждого атома. Эти частоты, излучаемые атомом
ν
min
2

1

  1
= R Z − σ   2 − 2 
m 

 n


где: R = 1,1 ⋅ 10− 7 c − 1;
Z – атомный номер испускаемого элемента;
σ - постоянная экранировки для каждого атома своя.
Если n =1 - К- серия,
m=2,3,4.
n =2 –L-серия и т.д.
m>n
Характеристический спектр каждого вещества
индивидуален и представляет собой спектры.
Частота характеристического измерения удовлетворяет


равенству: ν = A Z − B  - закон Мозли


ν
где: - частота спектр. линии;
Z - номер испускаемого элемента:
А и В = постоянные.
Характеристические спектры сдвигаются в сторону больших
частот с увеличением заряда ядра.
Ι Ι Ι Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.
Эффект взаимодействия рентгеновского излучения с
веществом зависит от соотношения между энергией кванта света
Ε = hν и работой выхода (энергия ионизации). Величина, численно
равная работе, которую необходимо потратить чтобы оторвать
электрон от ядра – называется работой выхода.
1)Когерентное (упругое) рассеивание.
Условия
Микроэффект
Макроэффект
если hν < Au
это взаимодействие кванта с
атомами вещества без изменения
энергии кванта
1)упругое рассеивание;
2)возбуждение атома.
-упругое рассеивание
электрон налетает на атом и
изменяется только направление
кванта;
-возбуждение атома – электрон
переходит на более высокий
энергетический уровень;
люминесценция – атом уже возбужден
→ и электрон переходит на более
низкий уровень → свечение.
1)меняется направление – Х лучей;
2)люминесценция;
3)фотохимические реакции
( засвечивание пленки).
hν ≥ Aв
hν = Aв +
1)упругое рассеивание;
2)возбуждение атомов;
3) фотоэффект – отрыв электрона от
атома под действием кванта света.
mυ 2
2
hν > > Aв
mv 21
+ hν
2
ν1<ν
hν = Aв +
1
Комптон эффект → возникновение
вторичного мягкого рентгеновского
излучения.
1)меняется направление Х - лучей;
2) фотохимическая реакция;
3)люминесценция;
4)ионизация – увеличение
проводимости вещества
1)меняется направление Х - лучей;
2) фотохимическая реакция;
3)люминесценция;
4)ионизация – увеличение
проводимости вещества:
5)вторичное излучение.
В результате всех этих эффектов рентгеновское излучение
поглощается веществом по закону Бугера-Ламберта.
Ф = Ф0е − µ d
µ -коэффициент ослабления
µ
d толщина биологической ткани.
= µ рассев. + µ поглощенния
Для диагностики используют фотон с энергией ≈ 60 − 120кэВ .
µ - поглощение зависит от λ и Z-атомный номер вещества через
которые проходит рентгеновское излучение.
µ поглощ. = кλ 3 Z 3 →
к=6-8(Н,О,N,С.)
к=15-20(P,Са )
Если исследуемый орган и окружающие ткани одинаково
ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные
контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и
кишечник кашеобразной массой сульфата бария, можно видеть их
тепловое изображение.
Яркость изображения на экране и время экспозиции на
фотопленке зависит от интенсивности рентгеновского излучения.
Если его используют для диагностики, то интенсивность не может
быть большой (вредно). Поэтому применяют техническое
устройство РЭОП.
Методы рентгеновской диагностики.
Ι )Рентгеноскопия – исследование структуры внутренних органов
на люминесцентном экране (Л.Э.).
Ι Ι )Рентгенография – вместо Л.Э. → фотопленка определенных
размеров.
Ι Ι Ι )Флюорография – это рентгенография на малоформатных
пленках размерами
32 × 32 мм
70 × 70 мм
1V )Рентгенография с РЭОП (рентгеновский электронно-
оптический преобразователь.
Лекция составлена доц. Ивановой О.И.