Рентгеновское электромагнитное излучение и его свойства

Рентгеновское излучение возникает при ударе электронов, обладающих высокой энергией, по мишени из тяжелых металлов: молибден, вольфрам. Причем длина волны излучения составляет 10 - 10 м. длина волны этого излучения такова, что оно проникает практически через все твердые и жидкие тела. При ударе по мишени 99% энергии электронов расходуются на ее нагревание, и только 1% затрачивается на создание излучения.

Для придания электрону необходимой энергии между источников и мишенью прокладывается высоковольтное электрическое поле. Появление γ-лучей объясняется тем, что электроны возбуждают атомы мишени, а последние, переходя в стационарное состояние, излучают рентгеновские лучи.

Различают так называемое тормозное излучение, которое имеет сплошной спектр излучений, и характеристическое излучение. Тормозное излучение имеет непрерывный спектр, что объясняется непрерывным спектром энергии электронов. Характеристическое излучение появляется при больших энергиях, когда электроны проникают на нижние уровни атомов и взаимодействуют с электронами этих уровней. Форма кривых, характеризующих излучение, индивидуальна для каждого металла.

Некоторые характеристики рентгеновского излучения.

1) Энергия излучения: ω = e U =h ν = . [Дж] (1)

е – заряд электрона;

U – разность потенциалов между источником и мишенью;

U - потенциал анода;

h - постоянная Планка;

ν - частота колебаний;

c - скорость света;

λ – длина волны.

Если уравнение (1) решить относительно λ, то можно получить зависимость длины волны от анодного напряжения:

λ = (2)

2) Поток энергии: F = . [Дж/с] [Вт].

W – количество энергии, проходящее через выбранное сечение;

t - время.

3) Интенсивность излучения: I = . [Вт/м ]

F – поток энергии;

S – площадь.

Интенсивность рентгеновского излучения в зависимости от анодного напряжения тока электрического пучка (анодного тока) и расстояния от мишени:

I = K

K – коэффициент, зависящий от материала;

R – расстояние;

U - потенциал анода;

i - анодный ток.

Поглощение рентгеновского излучения.

Закон поглощения рентгеновского излучения в первом приближении аналогичен закону поглощения электромагнитного излучения (закон Ламберта – Бера).

I = I e

I - начальное излучение;

I - излучение, исходящее из объекта после поглощения;

μ – линейный коэффициент ослабления;

δ – толщина поглощающего слоя.

Значение μ различно в зависимости от веществ. В то же время известно, что отношение - массовый коэффициент поглощения (ρ - плотность).

Все сказанное справедливо к рентгеновскому излучению какой-либо одной длины волны. Если рентгеновское излучение имеет спектр волн, то поглощение на каждую длину волны различно, причем, чем меньше длина волны, тем больше проникающая способность рентгеновского излучения.

При расчетах поглощения немонохроматического рентгеновского излучения используют представление об эффективных значениях длины волны λ эф., энергии w эф., коэффициента ослабления μ эф.

Известна эмпирическая формула, которой описывается интенсивность рентгеновского излучения, выходящего из объекта, которая имеет следующий вид:

I = K U

K - коэффициент, зависящий от материала поглотителя;

n - степень.

При взаимодействии рентгеновского излучения с веществом-поглотителем имеют место следующие эффекты:

- фотоэффект;

- рассеивание излучения.

Фотоэффект вызывает ионизацию атомов поглотителя, что является чрезвычайно вредным для живых организмов.

Явление рассеивания связано с тем, что рентгеновские лучи взаимодействуют с электродами, в результате чего электроды получают дополнительный импульс энергии, а Х-луч отклоняется от первоначального направления. Это явление называется Комптом-эффект.

Как видно из рисунка, часть рентгеновского излучения отклоняется от исходного направления, т.е. рассеивается. Это явление является нежелательным, т.к. уменьшает четкость получаемых рентгеновских изображений.

Кроме того, длина волны рассеянного излучения λ меньше длины волны исходного излучения λ , что уменьшает проникающую способность рентгеновского излучения. В практике с этим явлением борются различными способами.

Некоторые характеристики поглощения рентгеновского излучения:

1) Поглощенная доза:

D = [Дж/кг] [Гр].

W – мощность;

m – масса поглотителя.

2) Мощность поглощенной дозы:

Р = [Гр/с]

3) Интегральная поглощенная доза:

Dинт. = P m t [Дж]

Рентген – экспозиционная доза. Данная единица является несистемной, однако, применяется в настоящее время в большинстве случаев. Это связано с тем, что как раньше, так и теперь, для измерения рентгеновского излучения используются ионизационные преемники излучения.

1 рентген соответствует возникновению 2 10 пар ионов в 1 см воздуха.