Лекция 17.

Рентгеновское излучение, его природа. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Слой половинного ослабления. Защита от рентгеновского излучения. Физические принципы рентгенодиагностики и рент­генотерапии. Понятие о рентгеновской компьютерной томографии.

Рентгеновское излучение

Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной приблизительно от 80 до 10^-5 нм Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое — длинноволновым -излучением. По способу получения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое

26.1. Устройство рентгеновской трубки. Тормозное рентгеновское излучение

Н

Рис. 26.1

аиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор (рис. 26.1). Подогревный катод 1 испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо проводящего тепло материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.

Д

Рис. 26.2

ля диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте анода (антикатода). Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место антикатода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис. 26.2).

В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов веществ антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение.

Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индук­ция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.

П

Рис. 26.3

ри торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов возникает рентгеновское излучение с непрерывным (сплошным) спектром. На рис. 26.3 представлены зависимости потока рентге­новского излучения от длины волны А. (спектры) при разных на­пряжениях на рентгеновской трубке: U_l < U₂ < U₃.

В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное из­лучение, соответствующее длине волны _min, возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:

eU = h_max = hc/_min, (26.1)

откуда

_min = hc/(eU) (26.2)

Эту формулу можно преобразовать в более удобное для практи­ческих целей выражение:

_min = 12,3/U, (26.3)

где _min — минимальная длина волны, 10^-10 м; U — напряжение, кВ. Формула (26.3) соответствует рис. 26.3

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и на­зывается жестким, а длинноволновое — мягким.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, увеличивая долю жесткой ком­поненты, как это видно из рис. 26.3 и формулы (26.3).

Рис. 26.4 Рис. 26.5

Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. На рис. 26.4 показаны спектры тормозного рентгеновского излучения при одном напряжении, но при разной силе тока накала катода: I_н1 < I_н2.

Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле

_(26.4)

где U и I — напряжение между электродами и сила тока в рентге­новской трубке, Z — порядковый номер атома вещества антикатода, k = 10^-9 В^-1 — коэффициент пропорциональности. Спектры, полученные от разных антикатодов при одинаковых U и I _н, изображены на рис. 26.5.

Рентгеновский аппарат

Простейший рентгеновский аппарат. Р- рентгеновская трубка, Т1-высоковольтный трансформатор, АТ- автотрансформатор, Т2-низковольтный трансформатор цепи накала, R-переменное сопротивление.