Начало >> Статьи >> Архивы >> Рентгеновские аппараты

Количественная и качественная оценка рентгеновского излучения - 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

Оценка рентгеновского излучения, генерируемого рентгеновской трубкой, может производиться или косвенно— по анодному напряжению и анодному току рентгеновской трубки, или непосредственно — путем измерения самого рентгеновского излучения. Косвенной оценкой можно ограничиться при просвечиваниях и снимках (рентгенодиагностика и рентгенодефектоскопия), когда рентгеновское изображение на экране или пленке само позволяет судить о правильности выбора условий облучения. Непосредственная оценка обязательна в рентгенотерапии и в рентгеноструктурном и рентгеноспектральном анализах. Отметим, что и в этих случаях для контроля работы необходимо знать анодное напряжение и анодный ток трубки.
На практике непосредственную оценку рентгеновского излучения производят измерением воздействия рентгеновских лучей на какую-либо среду. Мы остановимся здесь на методах, использующих ионизационное действие рентгеновского излучения. При прохождении рентгеновских лучей через газовую среду (например, через атмосферный воздух) ионизация вызывается фотоэлектронами и электронами отдачи, которые, обладая большими кинетическими энергиями, обусловливают образование вторичных, третичных и т. д. электронов. В качестве примера укажем, что при поглощении фотона с энергией 16 фДж (100 кэВ) в воздухе образуется примерно 3 тыс. пар ионов. Отрицательными ионами являются электроны, так что будет образовано 3 тыс. свободных электронов. Если ионизация, производимая рентгеновскими лучами в газе, содержащемся в измерительном устройстве, происходит при наличии электрического поля, то в цепи, содержащей газовый промежуток, будет наблюдаться электрический ток. По характеру работы различают: а) ионизационные камеры и б) ионизационные (газоразрядные) счетчики частиц. Ионизационные камеры применяются для измерения суммарного действия потока фотонов, обладающего сравнительно большой интенсивностью. Счетчики частиц представляют собой приборы, регистрирующие отдельные частицы, и позволяют измерять параметры излучения малой интенсивности.
Ионизационные камеры работают в так называемом режиме насыщения, когда ионизационный ток не зависит от напряжения, приложенного к электродам камеры. Эта независимость объясняется тем, что, с одной стороны, напряжение достаточно велико, чтобы все ионы, образующиеся в ионизационном объеме, отводились к электродам, а с другой — напряжение еще мало, чтобы началась ударная ионизация, обусловливаемая движением ионов под действием электрического поля. Работа ионизационной камеры в режиме насыщения отличается высокой стабильностью.
В ионизационной камере поглощается лишь небольшая доля падающего излучения, остальное излучение проходит насквозь. Между тем понятие интенсивности излучения имеет в виду все падающее излучение. При измерении поглощенной доли естественно иметь дело с количеством энергии, поглощенной единицей массы. Такая физическая величина носит название дозы излучения D. Производная дозы излучения по времени

называется мощностью дозы излучения. Понятия дозы излучения и мощности дозы излучения применимы к любой среде, не только газовой. Единицей дозы излучения является Дж/кг, а мощности дозы излучения — Вт/кг. В лучевой терапии применяется также единица дозы «рад», равная 0,01 Дж/кг.
Установим связь между мощностью дозы излучения и интенсивностью излучения. Как мы видели, коэффициенты τ и σ не характеризуют в отдельности истинного поглощения и истинного рассеяния. Поэтому наряду с разделением коэффициента μ на коэффициенты τ и α целесообразно разделить его на коэффициенты, отражающие истинное поглощение (коэффициент γ) и истинное рассеяние (коэффициент ξ), назвав первый коэффициентом электронного преобразования, а второй — коэффициентом лучистого преобразования:

Здесь
Можно показать, что если доля поглощаемой энергии невелика по сравнению со всей падающей энергией, то

где J — интенсивность падающего излучения. Таким образом, пропорциональность между мощностью дозы излучения и интенсивностью излучения сохраняется до тех пор, пока остается неизменным коэффициент γ, зависящий от спектрального состава падающего излучения. С уменьшением длины волны лучи ослабляются меньше и коэффициент γ уменьшается. Поэтому с увеличением напряжения на трубке мощность дозы возрастает меньше, чем интенсивность; изменение анодного тока трубки (при неизменном напряжении) вызывает пропорциональное изменение как интенсивности, так и мощности дозы.
Рассмотрим теперь связь между мощностью дозы и ионизационным током. Примем, что ионизационный объем V пронизывается рентгеновскими лучами равномерно. Тогда при режиме насыщения

Здесь е — заряд электрона и z — число пар ионов, образуемых в единицу времени в единице объема газа. Обозначив средний расход поглощенной энергии излучения на каждую пару ионов через ε, получаем:

соответственно для любого промежутка времени -

Можно считать, что средний расход энергии па образование пары ионов не зависит от энергии первичных электронов (по крайней мере в области энергий 2—2Х102 фДж, т. е. примерно 10—103 кэВ), а тем самым и от энергии падающих фотонов; для воздуха этот средний расход энергии составляет 5,5· 10 -3 фДж (34 эВ).
Таким образом, ток насыщения прямо пропорционален, мощности дозы излучения, а количество электричества, разделенное за какое-либо время в единице ионизационного объема, прямо пропорционально дозе излучения в этом объеме.
Благодаря указанному обстоятельству при радиационных измерениях широко используют ионизационный эффект в воздухе, для чего введены понятия экспозиционной дозы излучения (т. е. дозы, поглощаемой воздухом) и мощности экспозиционной дозы излучения с единицами— Кл/кг и А/кг. По определению единица Кл/кг представляет собой экспозиционную дозу рентгеновского и гамма-излучений, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия на килограмм сухого атмосферного воздуха производит в воздухе ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака. Исторически сложившейся единицей является «рентген» (Р), численно равный 2,58·10-4 Кл/кг. Энергетический эквивалент рентгена составляет 0,88·10—2 Дж/кг.
Приборы, измеряющие экспозиционную дозу излучения (или мощность дозы), называются дозиметрами, а градуированные в рентгенах — рентгенометрами. Ионизационное действие или прямо измеряется посредством чувствительного электрометра, или предварительно усиливается при помощи электронного усилителя, после чего для измерения могут быть применены чувствительные электроизмерительные приборы обычного типа.
Если ионизационная камера построена так, что учитывается лишь ионизационный эффект в воздухе, то показания дозиметра не будут зависеть в широких пределах от жесткости излучения. В практических дозиметрах обычно имеется такая зависимость, т. е. ход с жесткостью, поскольку частично учитывается ионизационный эффект других элементов камеры (например, ее стенок). Практические дозиметры описываются в [Л. 22].
На рис. 1-13 представлена зависимость мощности экспозиционной дозы излучения от напряжения па трубке при различной фильтрации [Л. 74]. Данные относятся к центральному пучку лучей (в направлении наибольшей интенсивности излучения). На рис. 1-14 дано отношение мощностей дозы при различных напряжениях (кривые построены по данным рис. 1-13). Здесь же приведены значения показателя степени п в предположении,

Рис. 1-14. Отношение т мощности экспозиционной дозы при напряжениях 100 и 50 кВ (1) и 200 и 100 кВ (2) в зависимости от толщины медного фильтра.

Рис. 1-13. Ориентировочные значения мощности экспозиционной дозы на 1 мА для постоянного напряжения при фокусном расстоянии 1 м и различных фильтрах.
что мощность дозы находится в степенной зависимости от напряжения [подобно интенсивности излучения в формуле (1-20)]. Как мы видим, при одной и той же фильтрации величина п значительно различается для кривых 1 и 2.
Для одного и того же рентгеновского излучения значение дозы в ином, чем воздух, веществе при прочих равных условиях будет, очевидно, равно:

где γм = γ/ρ массовые коэффициенты электронного преобразования соответственно в воздухе и иной заданной среде. Если поглощающее вещество по своему эффективному атомному номеру мало отличается от воздуха, то
и

Средний эффективный атомный помер тканей тела близок к эффективному атомному номеру воздуха, так что доза в ткани пропорциональна дозе в воздухе. Это обстоятельство является, естественно, благоприятным фактором для использования в рентгено- и гамма-терапии метода измерения излучения при помощи ионизационных камер с обычным атмосферным воздухом (§5-10).
Помимо количественной оценки рентгеновского излучения, измерения дозы могут служить также и для его качественной оценки, так как при их помощи производится также определение слоя половинного ослабления. Таким образом, в рентгенотерапевтической практике дозиметрия охватывает все необходимые радиационные измерения.
Методы измерения излучения при помощи ионизационных камер находят себе применение также в рентгенодиагностике, в первую очередь в так называемых реле экспозиции, автоматически отключающих высокое напряжение после того, как пленка облучена до такой степени, что после проявления достигается необходимая плотность почернения (§ 5-6). Ионизационные камеры используются также в устройствах, учитывающих радиационную нагрузку пациента при просвечиваниях. Вопросы, связанные с созданием таких устройств, рассматриваются в [Л. 75—76].
В ионизационной камере число электронов, достигающих электрода противоположного знака, равно числу электронов, появляющихся в результате ионизации, производимой фотонами (коэффициент газового усиления равен единице). В ионизационных (газоразрядных) счетчиках частиц напряжение между электродами берется более высоким (а давление газа понижается). Поэтому электроны, движущиеся к аноду счетчика, приобретают скорости, достаточные для ударной ионизации атомов газа за счет энергии электрического поля.

Это приводит к резкому увеличению числа электронов (а следовательно, и коэффициента газового усиления) и позволяет, используя дальнейшее усиление электрических импульсов, регистрировать поглощение счетчиком отдельных частиц.
Газоразрядные счетчики частиц разделяются на: а) пропорциональные и б) счетчики с самостоятельным разрядом. В первых коэффициент газового усиления равен 103—104 и регистрируемые электрические импульсы пропорциональны первичной ионизации. В счетчиках с самостоятельным разрядом коэффициент газового усиления во много раз выше. Импульсы ионизационного тока не зависят здесь от величины первичной ионизации, и такой счетчик позволяет оценивать лишь число фотонов, производящих ионизацию в единицу времени. Эффективность счетчика у газоразрядных счетчиков низка— ионизацию производит примерно лишь 1% фотонов, падающих на счетчик. Предельная скорость счета, обеспечиваемая счетчиком, 5·103 импульс/с.
Помимо газоразрядных имеются счетчики частиц других видов: сцинтилляционные, полупроводниковые, кристаллические. Мы остановимся вкратце па сциитилляционных счетчиках, получивших наибольшее применение. Такой счетчик представляет собой сочетание люминофора, в котором регистрируемые фотоны вызывают световые вспышки (сцинтилляции), и фотоэлектронного умножителя, преобразующего эти вспышки в электрические импульсы. В качестве люминофора чаще всего применяются кристаллы йодистого натрия, активированные таллием. Сцинтилляционные счетчики имеют значительно более высокую эффективность (по отношению к рентгеновскому излучению), чем газоразрядные, в них регистрируется до 20% падающих фотонов. Это обстоятельство, а также высокая светоотдача люминофора и сравнительно высокий коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя (по току)—порядка 106 — обеспечивают высокую чувствительность счетчика. При соблюдении определенных условий и применении так называемого амплитудного анализатора сцинтилляционный счетчик позволяет не только вести счет частиц, но и исследовать их распределение по энергиям. Предельная скорость счета сцинтилляционного счетчика с указанным люминофором равна 4-10° имульс/с.


Рис. 1-15. Распределение энергии рентгеновского излучения по спектру в зависимости от частоты излучения.
Счетчики частиц применяются в рентгенотехнике в первую очередь для электрической регистрации интенсивности характеристического рентгеновского излучения в аппаратуре для структурного и спектрального анализов (§ 1-6). Они используются также для исследования тормозного рентгеновского излучения в других областях применения рентгеновских лучей.

В связи с этим следует указать, что кривые распределения энергии рентгеновского излучения по спектру при использовании счетчиков частиц представляется целесообразным изображать в согласии с рис. 1-15, а и б, заимствованном из [Л. 77]. Здесь по оси абсцисс отложена частота излучения (можно откладывать пропорциональную частоте энергию фотонов), а по оси ординат — число фотонов в секунду или интенсивность излучения, соответствующие определенной частоте. Исследования тормозного рентгеновского излучения изложены в [Л. 78—80].
Счетчики частиц используются также для целей дозиметрии. В этом случае стремятся, чтобы они были или воздухоэквивалентными для измерения экспозиционной дозы излучения или тканеэквивалентными для непосредственного измерения дозы излучения, поглощаемой тканями человеческого тела.



 
« Религия и психические болезни   Рентгенодиагностика заболеваний костей и суставов »