Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение – это электромагнитное излучение, возникающее при взаимодействии ускоренных электронов с атомами материала анода рентгеновской трубки рис. 4.9.

Рентгеновская трубка является электровакуумным прибором, представляющим собой стеклянную колбу, из которой откачан воздух до глубокого вакуума (≈ 10-6 мм рт. ст.).

В трубке имеется два электрода: катод и массивный анод.

Рентгеновское излучение испускается изотропно в телесный угол 4π, поэтому рентгеновская трубка помещается в защитный корпус, который изнутри выстилается листовым свинцом (рис. 4.10).

При подаче напряжения на трубку электроны испускаются катодом и ускоряются в электрическом поле. При их взаимодействии с анодом возникает тормозное и характеристическое излучение.

При этом образуется избыток энергии, который испускается в виде кванта рентгеновского излучения, называемого тормозным рентгеновским излучением (рис. 4.11).

За счёт упругих и неупругих взаимодействий энергия ускоренных электронов превращается в тепло (около 99%), и только малая её часть (не более 1%) превращается в энергию тормозного рентгеновского излучения.

Как уже было сказано, при образовании тормозного излучения анод выделяет большое количество тепла, кроме того, в трубке имеется катод, разогретый до высокой температуры.

Энергия тормозного излучения лежит в пределах от нуля (кэВ) до максимального значения, равного величине анодного напряжения. Спектр тормозного излучения на аноде представлен на рис. 4.12 пунктирной линией.

Низкоэнергетические рентгеновские кванты поглощаются внутри трубки охлаждающей жидкостью и стеклом выходного окошка. На выходе окошка трубки спектр тормозного излучения имеет вид, показанный сплошной линией.

Энергия электронов в оболочке атома характеризуется его энергией связи, т.е. энергией, необходимой для удаления электрона из атома.

В качестве измерения энергии в международной системе единиц физических величин СИ используется джоуль (Дж), однако до сих пор широко используется единица электронвольт (эВ). Один электронвольт 1 эВ соответствует энергии, приобретаемой электроном, ускоряющимся в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В:

Когда ускоренные электроны проходят через атом вдали от ядра, они могут сталкиваться с электронами атома, находящимися на разных орбитах (рис. 4.13).

Если энергии ускоренных электронов достаточно для преодоления энергии связи электрона атома с ядром, то этот электрон выбивается с орбиты, а ускоренный электрон теряет часть энергии и изменяет направление движения. Электрон, находящийся на более удалённой орбите, немедленно занимает место выбитого электрона.

Образовавшийся при переходе электрона избыток энергии испускается в виде кванта рентгеновского излучения. При этом в спектре тормозного излучения появляются пики характеристического рентгеновского излучения (рис. 4.14).

Как правило, в спектре появляется несколько характеристических пиков с различной энергией, образовавшихся за счёт электронов, выбитых с разных уровней: K, L и т.д., см. линию 1 на рис. 4.14.

Кривая 2 на этом рисунке представляет собой спектр рентгеновского излучения за окошком рентгеновской трубки.

Низкоэнергетические кванты поглощены охлаждающей жидкостью и материалом окошка. Для снижения количества низкоэнергетических квантов в спектре рентгеновского излучения используют дополнительный алюминиевый фильтр, которым закрывают выходное окошко трубки (рис. 4.15).

На рис. 4.15 представлены снимки конструкций рентгеновских трубок. Алюминиевый фильтр представляет собой диск толщиной 2 мм. На рисунке справа показано место нахождения фокального пятна. Эта точка соответствует точке на аноде, в которую попадает поток ускоренных электронов.

Как уже было сказано, рентгеновская трубка помещена в защитный кожух, который изнутри выстлан листовым свинцом.

Поглощённая доза в воздухе на расстоянии r от фокуса рентгеновской трубки определяется выражением

где D – поглощённая доза в воздухе, мГр;

i – сила анодного тока, мА;

t – длительность экспозиции, с;

un – анодное напряжение, кВ;

Z – атомный номер материала анода.

Поглощённая доза D линейно зависит от Q и нелинейно от величины анодного напряжения un. Показатель степени n может принимать значение от двух до пяти в зависимости от фильтрации и формы анодного напряжения.

Произведение i на t называют количеством электричества:

Величина Q является одним из контролируемых параметров рентгеновской трубки.

Контроль эксплуатационных параметров медицинского рентгенорадиологического оборудования проводится в соответствии с пп. 4.10-4.11 ОСПОРБ-99/2010.