Рентгеновское излучение

1.

Рентгеновское излучение
Лектор: к.ф.-м.н., доцент Головко О.В.

2.

План:
1. Природа и свойства рентгеновского излучения.
2. Механизм генерации рентгеновского излучения.
3. Рентгеновская трубка.
4. Зависимость спектра тормозного излучения в
зависимости от ускоряющего напряжения и силы
тока и природы вещества анода.
5. Взаимодействие рентгеновского излучения с
веществом: когерентное рассеяние, фотоэффект,
эффект Комптона.
6. Закон ослабления рентгеновского излучения
веществом. Защита от рентгеновского излучения.
7. Применение
рентгеновского
излучения
в
медицине.
Рентгенография,
рентгеноскопия,
рентгеновская томография.

3.

Рентгеновское излучение открыто в 1895г.
Нобелевская премия получена В. Рентгеном в 1901г.

4.

Свойства рентгеновского излучения:
1. - это электромагнитное излучение с длиной
волны от 80 до 0,00001 нм. В медицине
используется узкий участок от 1 до 0,006 нм.
2.
обладает
большой
проникающей
способностью
–
большая
часть
тел,
непрозрачных для оптического излучения,
является “прозрачными” для рентгеновского
излучения.

5.

3. - невидимо для глаза, обнаруживается по его
действию на вещество: химические воздействие
на фотоэмульсию фотопленки и рентгенолюминесценция (светящийся экран).
4. - обладает ионизирующим действием.

6.

Механизмы генерации
рентгеновского излучения
По способу возбуждения РИ разделяют
характеристическое и тормозное.
1.Характеристическое излучение возникает при
переходах между энергетическими уровнями
внутренних оболочек (K,L,M,…,) атомов с
высокими порядковыми номерами.
на

7.

Под действием сильного внешнего воздействия
(бомбардировка атомов вещества электронами с
высокой кинетической энергией, α - частицами,
γ-излучением) с внутренней оболочки атома будет
выбит один из электронов, то с более высоких
уровней атома на место выбитого перейдет другой
электрон.
Будет испускаться
фотон с энергией
hν = E 2− E 1
и частотой
лежащей в
диапазоне
рентгеновского
излучения:
E 2− E 1
ν=
.
h
.

8.

Электрон может быть выбит с любого уровня. На
этот уровень могут переходить электроны с любого
уровня, образуя серии переходов: К - серия
образуется при переходе электронов на уровень К с
более высоких уровней, L - серия - на уровень L и
т.д.
Характеристическое излучение
имеет линейчатый спектр на
фоне сплошного. Для разных
атомов эти спектрв однотипны,
т.к. внутренние оболочки
атомов одинаковы и
отличаются лишь энергией.

9.

Частота линий спектра характеристического
излучения определяется законом Мозли
√ν = K (Z − 1) ,
K- постоянная для данной линии,
Z- зарядовое число атома химического элемента, с
которым сталкиваются электроны.
При увеличении Z линия сдвигается в сторону более
υ
коротких длин волн
λ= .
ν

10.

Тормозное излучение возникает при резком
торможении электронов электрическим полем атомов
вещества, через которое они пролетают.

11.

Частота фотона зависит от начальной кинетической
энергии летящих электронов и от интенсивности
торможения. Т.к. эти условия для летящих
электронов различны, то излучаются фотоны разных
длин волн, и спектр тормозного излучения
сплошной.
Коротковолновое
излучение
круто
уменьшается и называется
жестким
излучением.
Длинноволновое
РИ
плавно уменьшается с
увеличением длины волны
и
называется
мягким
излучением.
Коротковолновая
граница

12.

Рентгеновская трубка
- устройство для возбуждения рентгеновского
излучения, представляет собой вакуумный баллон с
несколькими
электродами,
соединенными
с
источником высокого напряжения.
Катод К - раскаленная
нить, играет роль
источника электронов.
Управляющий электрод
УЭ фокусирует пучок
электронов, направляя
его на анод А.

13.

На аноде возникает рентгеновское излучение.
Анод изготавливается из хорошо теплопроводящих металлов,
поверхность покрывается тугоплавкими тяжелыми металлами (W,
Pt), она скошена под углом для того, чтобы направлять
рентгеновское излучение.
Для ускорения электронов применяется высокое напряжение,
создаваемое между анодом и катодом. 1-3% кинетической
энергии электронов переходит в энергию излучения, почти вся
энергия электронов расходуется на выделение тепла: анод сильно
нагревается, в рентгеновской трубке создается охлаждение водой
или маслом.
Кроме того, анод вращается, чтобы электроны не выжигали
какую-либо одну точку на поверхности анода.

14.

U 30 кВ -излучается тормозное излучение.
U 35 50 кВ
-излучается характеристическое
излучение.
Если вся энергия электрона расходуется на
создание одного фотона, то длина волны этого
фотона будет равна λ 0. При этом энергия фотона
равна
c
ε = hν 0= h .
λ0
Кинетическая энергия электрона равна работе
электрического поля, созданного между катодом и
анодом:
me , e, масса, заряд и скорость
электрона.
me 2
eU , U — напряжение между катодом и
2
анодом.

15.

Следовательно,
eU
hc
0
откуда
hc
0
.
eU
3
λ m= λ 0
2
.

16.

Зависимость энергии рентгеновского
излучения от рабочих параметров
рентгеновской трубки
1.От ускоряющего напряжения, т.е. от энергии
электронов: Φ U 2 .
При увеличении U λ m , λ 0 смещаются в сторону
коротких длин волн, т.е. Излучение становится
более жестким.

17.

2.От силы тока, т.е. от числа электронов, испускаемых
катодом. Чем больше сила тока в цепи, тем больше
нагревается катод, тем больше электронов вылетает с
него, тем чаще происходят столкновения электронов с
анодом, т.е. Φ I.

18.

3. От природы, т.е. от порядкового номера вещества
поверхности анода. Количество электронов в разных
атомах различно, следовательно, различным по
напряженности будет и электрическое поле этих
атомов, значит, и скорость торможения будет
различной: Φ Z.

19.

Поток рентгеновского излучения вычисляется
по формуле:
Φ= kIZU 2 .

20.

Действие рентгеновского излучения на
вещество
При попадании на тело рентгеновское излучение
незначительно отражается, но большая часть его
проходит вглубь: часть проходит сквозь тело, часть
поглощается и рассеивается в веществе из-за того,
что РИ взаимодействует с атомами и молекулами
вещества и передает им свою энергию.

21.

При этом возможны следующие первичные процессы
1) Когерентное рассеяние h A
При столкновении этого
фотона с электроном атома,
прочно связанного с ядром,
фотон изменит траекторию
своего движения, но
энергию при этом
практически не изменит .
Биологического действия на
ткани организма
когерентное рассеяние
практически не оказывает.

22.

2) Фотоэффект.
h A
энергия
фотона
достаточна для отрыва
электрона, фотон отдает
ему
всю
энергию,
прекращая
своё
существование.
В
результате
электрон
вылетает из атома, атом
ионизируется
(фотоионизация).
Явление описывается уравнением Эйнштейна:
m
h
A
2
2

23.

3)Некогерентное рассеяние (эффект Комптона).
h A
Фотон может столкнуться с
электроном атома,
находящемся на внешнем
уровне, где электрон менее
связан с ядром, чем на
внутренних уровнях. При этом
электрон (электрон отдачи)
отрывается от атома, а фотон,
энергия которого уменьшится,
изменяет свое направление.
Энергия фотона может
оказаться такой большой, что
фотон выбьет электрон с
внутреннего уровня.

24.

Все первичные процессы могут вызывать
вторичные,третичные и т.д. процессы.

25.

Прохождение рентгеновского излучения через
вещество описывается законом Бугера:
Φ= Φ 0 e− μ d
Φ0
Φ
d
μ -коэффициент ослабления:
μ = μ к.р. + μ ф. + μ н.р.

26.

Защита от рентгеновского
излучения
Три типа:
Веществом.
Временем.
Расстоянием.

27.

Применение рентгеновского излучения
в медицине
В лечебных целях
Рентгенодиагностика:
Рентгеноскопия,
Рентгенография,
Рентгеновская
томография.
Ремизов А.Н. 2003.-с.514-516.

28.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!!!