Начало >> Статьи >> Архивы >> Рентгеновские аппараты

Ослабление рентгеновских лучей веществом - Рентгеновские аппараты

Оглавление
Рентгеновские аппараты
Введение
Генерирование рентгеновских лучей
Ослабление рентгеновских лучей веществом
Световозбуждающее и фотографическое действия рентгеновских лучей
Количественная и качественная оценка рентгеновского излучения
Защита от рентгеновских лучей
Применение - рентгенодиагностика
Применение - рентгенотерапия
Применение - рентгенодефектоскопия
Применение - рентгеноструктурный анализ
Применение - рентгеноспектральный анализ
Применение - облучение в технологических целях
Рентгеновские трубки
Электрические характеристики рентгеновских трубок
Рентгеновские излучатели
Высоковольтный рентгеновский кабель
Рентгеновские питающие устройства
Главные трансформаторы
Параметры R, L и С главного трансформатора
Представление о расчете главного трансформатора
Главные трансформаторы с переменным коэффициентом трансформации
Высоковольтные вентили
Высоковольтные генераторы
Регулировка напряжения на трубке и тока трубки
Включение и отключение питающего устройства
Автоматика в рентгеновских питающих устройствах
Стабилизация работы питающего устройства
Контроль напряжения на трубке и ее анодного тока
Выпрямительные схемы рентгеновских питающих устройств
Однополупериодная безвентильная схема
Однополупериодная вентильная схема
Двухполупериодная схема
Схема удваивания с пульсирующим напряжением
Схема удваивания со сглаженным напряжением
Падение напряжения в главной цепи питающего устройства
Перенапряжения в питающих устройствах
Импульсное питание рентгеновской трубки
Рентгенодиагностические аппараты
Рентгенодиагностические исследования
Рентгенодиагностические трубки
Системы регулировок рентгенодиагностического аппарата
Регулировка выдержки
Защита трубки от перегрузки
Реле экспозиции
Падающая нагрузка
Передвижные аппараты
Стационарные аппараты
Усилитель яркости рентгеновского изображения
Рентгенокиносъемка
Рентгенотелевидение
Флюорографические аппараты
Хирургические аппараты
Аппараты для ангиокардиографии
Аппараты для близкофокусной и внутриполостной терапии
Аппараты для глубокой терапии
Рентгенодефектоскопические аппараты
Рентгеновские микроскопы
Рентгеновские аппараты для структурного анализа
Рентгеновские аппараты для спектрального анализа
Рентгеновские аппараты для облучения в технологических целях

Все вещества в той или иной степени пропускают рентгеновские лучи. При прохождении рентгеновских лучей через какую-либо среду они ослабляются вследствие поглощения и рассеяния их этой средой. Интенсивность однородного (т. е. определенной длины волны) пучка рентгеновских лучей при прохождении через ослабляющую среду уменьшается по экспоненциальному закону
(1-14)
где J0 — интенсивность падающего излучения; J — интенсивность прошедшего излучения; х — толщина ослабляющего слоя; μ — коэффициент ослабления для данной среды, характеризующий ослабление на единице длины пути.
Ослабление энергии излучения происходит по двум причинам: из-за поглощения и рассеяния. Под поглощением подразумевается преобразование энергии рентгеновских лучей в другой вид энергии, под рассеянием — изменение направления распространения лучей. В соответствии с этим различают коэффициент поглощения т и коэффициент рассеяния а. Строго говоря, коэффициентом т наряду с поглощением учитывается также отчасти

и рассеяние (поглощение же учитывается неполностью), а коэффициентом σ наряду с рассеянием (за исключением рассеяния, учитываемого коэффициентом τ) учитывается отчасти и поглощение.
Кроме того, специфические виды поглощения и рассеяния, возникающие при напряжениях свыше 1 000 кВ, учитываются отдельным коэффициентом я. В итоге линейный коэффициент ослабления может быть в общем виде представлен как сумма трех коэффициентов:
(1-15)
Ослабление рентгеновских лучей веществом есть свойство атомов вещества и, следовательно, не зависит от его физического или химического состояния. Линейный коэффициент ослабления прямо пропорционален плотности вещества р, поэтому обычно оперируют массовым коэффициентом ослабления
(1-16)
Коэффициент τ учитывает образование в поглощающей среде фотоэлектронов под действием фотонов. При взаимодействии фотона с электроном, находящимся на одной из внутренних орбит, энергия фотона расходуется на удаление электрона за пределы атома и сообщение ему кинетической энергии Ак. Одновременно в итоге перехода на освободившуюся орбиту одного из внешних электронов излучается фотон характеристического излучения (это характеристическое излучение обычно называется вторичным в отличие от первичного, возникающего на аноде трубки).
Коэффициент τ по данным ряда исследователей может быть представлен как
(1-17)
причем m≈4, а п≈3. Что касается коэффициента а, то он: 1) различен для различных веществ и 2) не сохраняет неизменной величины, даже для определенного вещества. По мере возрастания λ коэффициент τ увеличивается до тех пор, пока длина волны не станет равной длине волны спектральной линии характеристического излучения. Далее происходит так называемый скачок поглощения и коэффициент а изменяет свою величину в сторону уменьшения, после того как энергия фотона становится уже недостаточной для удаления электрона с данной орбиты. Такой ход поглощения показывает возрастание вероятности взаимодействия фотона с атомным электроном по мере увеличения λ и приближения к длине волны спектральной линии. Одновременно возрастает и доля излучения, расходуемого не на собственно поглощение, а на рассеяние в виде вторичного характеристического излучения. Таким образом, «истинное поглощение» составляет лишь часть общего поглощения k, где k вблизи скачка поглощения со стороны более коротких длин воли заметно меньше единицы. Несмотря на наличие скачков поглощения, коэффициент τ в целом резко уменьшается с уменьшением длины волны, тем более что скачки поглощения имеют место лишь в длинноволновой части спектра (для Ζ<30 при λ> 10-8 см).
Рассеяние является результатом взаимодействия фотонов с электронами, имеющими сравнительно малую энергию связи (более чем в 104 раз меньше энергии фотона), т. е. при взаимодействии с электронами внешних оболочек и свободными электронами. При таком взаимодействии фотон отдает часть своей энергии электрону (эффект Комптона), что влечет за собой увеличение длины волны и изменение направления распространения. Коэффициент рассеяния σ увеличивается с увеличением атомного номера и длины волны, однако далеко не так резко, как τ. Для λ>0,3·10-8 см допустимо считать, что σ не зависит от длины волны. Коэффициент рассеяния можно представить в виде суммы:

где σs — коэффициент «истинного рассеяния», а σr — коэффициент, соответствующий той части энергии фото- поз, которая превращается в кинетическую энергию электронов отдачи: наряду с уменьшением общего коэффициента σ с уменьшением длины волны возрастает роль σr.
При длинах воли, сравнимых с размерами атомов (диаметр атома — порядка 10-8 см), наблюдается специфический вид рассеяния — дифракция рентгеновских лучей в кристаллах, обнаруживающая их волновую природу.
В длинноволновой части спектра ослабление в основном определяется поглощением. По мере уменьшения длины волны роль поглощения уменьшается, а роль рассеяния возрастает, и при достаточно малых длинах волн можно считать, что ослабление целиком определяется рассеянием. При этом главенствующая роль переходит от поглощения к рассеянию при тем большей длине волны, чем меньше Z. Так, для воздуха (Ζэфф=7,7) поглощение равно рассеянию (τ=σ) при λ≈0,4х10-8 см, а для меди (Ζ = 29) — при λ≈10~9 см.
В целом с уменьшением длины волны коэффициент ослабления μ уменьшается, что и обусловливает возрастание проникающей способности рентгеновских лучей.

Рис. 1-6. Зависимость коэффициентов ослабления μ от энергии фотонов.

Явления поглощения и рассеяния в описанном виде полностью характеризуют ослабление рентгеновских лучей при λ>1,2·10-10 см, что соответствует напряжению на рентгеновской трубке Ua<1 020 кВ. При дальнейшем уменьшении длины волны (увеличении напряжения) возникает новое явление, получившее название «образования пар». Энергия фотона становится достаточной для превращения фотона под влиянием атомного ядра в пару, состоящую из электрона и позитрона. Коэффициент образования пар π возрастает с увеличением атомного номера и (в противоположность коэффициентам τ и σ) с уменьшением длины волны. На рис. 1-6 представлено изменение коэффициентов ослабления μ для алюминия, меди и свинца в очень широком интервале.
Все сказанное выше об ослаблении рентгеновского излучения относилось к столь узкому пучку лучей, что можно было не считаться с наличием в пучке вторичного (рассеянного) излучения, поскольку это последнее (ввиду изменения направления) сразу же выходило за пределы пучка. При более широких пучках, с которыми обычно приходится иметь дело на практике, излучение ослабляется меньше, так как к ослабляющемуся первичному  пучку добавляется та часть вторичного (рассеянного) излучения, которая по направлению близка к первичному пучку. Это явление сказывается тем сильнее, чем меньше длина волны первичного излучения и чем толще ослабляющий слой.
На практике ослабление рентгеновских лучей часто оценивают слоем половинного ослабления, под которым подразумевают толщину слоя данного вещества, которая ослабляет интенсивность рентгеновских лучей в 2 раза:

Так как
то

или согласно определению слоя половинного ослабления
откуда
(1-18)
В табл. 1-2 даны значения слоя половинного ослабления для алюминия, меди и свинца в зависимости от длины волны для узкого пучка лучей.

Таблица 1-2
Толщина слоя половинного ослабления (для однородного излучения)

В спектре торможения имеются лучи с разными длинами волн, которые ослабляются неодинаково: чем меньше длина волны, тем меньше и ослабление. Таким образом, по мере проникновения в ослабляющую среду спектральный состав такого излучения изменяется. Происходит фильтрация излучения, при которой лучи становятся более однородными (а тем самым и более жесткими) , интенсивность же их, естественно, падает (рис. 1-7). Для качественной оценки спектра торможения (непрерывного спектра) необходимо, следовательно, знать материал и толщину фильтров, через которые предварительно проходит излучение; в частности, важно знать фильтрацию излучения оболочкой рентгеновской трубки и выходным окном защитного кожуха, если трубка располагается в кожухе.

Рис. 1-7. Фильтрация узкого пучка рентгеновских лучей алюминием.
Длину волны такого эквивалентного однородного излучения называют эффективной длиной волны непрерывного спектра λэфф, а коэффициент ослабления, отвечающий этой длине волны, — эффективным коэффициентом ослабления μэфф, причем


Для данного непрерывного спектра всегда можно подобрать такое однородное излучение, которое в данном слое претерпевает такое же ослабление, как и данный спектр.

Эффективная длина волны зависит от величины и формы кривой напряжения и материала и толщины фильтров (а также от формы кривой анодного тока). В качестве примера укажем, что при той степени фильтрации, которая характерна для облучения биологических объектов, в самом первом приближении можно считать, что λэфф≈ 2λмин.
На практике ослабление непрерывного спектра и его спектральный состав оценивают по слою половинного ослабления, который определяют дозиметрическим путем. Зная слой половинного ослабления, можно, пользуясь формулой (1-18), найти эффективный коэффициент ослабления:

Одно значение d (или μэфф) нс определяет еще качества излучения. Действительно, одному и тому же значению d (или μэфф) могут отвечать совершенно различные спектральные составы — сильно фильтрованное излучение при относительно невысоком анодном напряжении и слабо фильтрованное, но при более высоком напряжении могут отвечать одинаковым значениям λэфф, μэфф и d, между тем как в первом случае спектральная область будет во много раз уже, т. е. излучение будет во много раз более однородным, чем во втором. Поэтому для однозначной характеристики неоднородного излучения следует наряду с d или μэфф указывать материал и толщину фильтра. Отсюда следует, что (если пренебречь влиянием формы кривой анодного тока) величина слоя половинного ослабления и фильтр однозначно определяют величину максимума напряжения при заданной форме кривой напряжения. В. более общем виде можно сказать, что из трех параметров: 1) максимальное напряжение при заданной форме кривой; 2) материал и толщина фильтра и 3) слой половинного ослабления в заданном веществе — два однозначно определяют качество излучения, а тем самым и третий параметр.
Фильтрация излучения специальными фильтрами или объектом исследования повышает зависимость интенсивности лучей, прошедших через фильтр или объект, от напряжения. Для фильтрованного излучения часто, принимают
(1-19)
считая, что, чем больше ослабление, тем выше п. Для пульсирующего или переменного напряжения эта формула относится к мгновенным значениям. Средняя за период интенсивность может быть выражена формулой
(1-20)
где γ' — коэффициент, зависящий от форм кривых анодного напряжения и анодного тока и представляющий собой правильную дробь. Величина а' во много раз меньше а в формулах (1-9) и (1-10) и резко уменьшается c увеличением п. Величина γ' меньше γ в формуле (1-10), но изменяется сравнительно мало (§ 4-8).
Необходимо подчеркнуть, что формула (1-20) является лишь математической аппроксимацией. Не исключено, что коэффициент п зависит от величины напряжения, несколько уменьшаясь с его возрастанием. В таком случае эта зависимость должна быть тем заметнее, чем больше разница в напряжениях. Например, изменение напряжения в 2 раза вызывает при п = 4x5 изменение интенсивности в 15—30 раз (как бы резко изменяя ее «масштаб») и при таком переходе можно ожидать заметного изменения п (и изменения кратности в соотношении интенсивностей).
В то же время изменение пульсирующего напряжения в пределах периода (при заданном «масштабе» интенсивности излучения, определяемом максимумом напряжения) должно слабо сказываться на величине п. В подтверждение этому на рис. 1-8 в качестве примера

Рис. 1-8. Изменение интенсивности излучения за объектом при синусоидальном напряжении.
наряду с синусоидой напряжения даны кривые sin5x и sin6x, представляющие изменение относительной интенсивности излучения. В зависимости от формы кривой анодного тока трубки эти кривые соответствуют п, равному 5 и 6 или 4 и 5. Как мы видим: 1) 75—80% энергии излучения приходится на ту часть полупериода, когда напряжение изменяется от 1 до 0,9 от максимума, т. е. в сравнительно малой степени и 2) относительная разница в энергиях, соответствующих этим кривым, невелика, даже если говорить о полупериоде в целом.
Считается, что значения п = 4x6 соответствуют ослаблению излучения объектом при рентгенодиагностических исследованиях. Отметим, что кривые J = f(t) не только почти совпадают друг с другом на рис. 1-8, но к ним достаточно близка и кривая рис. 1-4 для нефильтрованного излучения.
При своем ослаблении рентгеновские лучи, передавая энергию фотоэлектронам и электронам отдачи, воздействуют на ослабляющую среду. Практическое применение рентгеновских лучей основывается па использовании этого воздействия.



 
« Религия и психические болезни   Рентгенодиагностика заболеваний костей и суставов »