II PROMIENIOWANIE RENTGENOWSKIE

Promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem elektromagnetycznym powstającym podczas hamowania rozpędzonych elektronów. Jego długość fali mieści się w zakresie od 10 pm do 10 nm. Zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma. Jest promieniowaniem jonizującym.

Lampa rentgenowska

ryc. 2, str. 122

Lampa rentgenowska składa się z bańki szklanej opróżnionej z powietrza, w której umieszczona jest katoda i anoda. Katodę stanowi żarzący się drut wolframowy uformowany w spiralę oraz metalowa czasza. Drut wolframowy jest źródłem elektronów. Przepływający przez spiralę katody prąd (zwany prądem żarzenia Iż) rozgrzewa ją. Rozgrzana spirala emituje elektrony. Jest to zjawisko termoemisji. Im większe jest natężenie prądu żarzenia, tym wyższa jest temperatura i tym więcej elektronów jest emitowanych.

Generator wysokiego napięcia służy do wytworzenia wysokiej różnicy potencjałów między katodą i anodą. Elektrony emitowane przez katodę przyciągane są przez anodę. Zmierzając w jej kierunku uzyskują dużą energię kinetyczną. Na anodzie są one wyhamowywane, a ich energia jest zamieniana na energię fotonów promieniowania rentgenowskiego.

Czasza ma tak dobraną krzywiznę, aby elektrony skupiały się w jednym punkcie na anodzie, jest to tzw. ognisko lampy (można wtedy przyjąć lampę rentgenowską jako punktowe źródło promieniowania). Na skutek hamowania elektronów większość energii kinetycznej zamieniana jest na ciepło. Przyjmuje się, że 1% energii elektronów zamieniana jest na energię promieniowania rentgenowskiego.

Tarcza hamująca wykonana jest zwykle z wolframu, rzadziej z platyny, tantalu, irydu.

Wyhamowane elektrony płyną następnie w obwodzie anodowym, od ich liczby zależy natężenie prądu anodowego ( Ia).

Mechanizm powstawania promieniowania rentgenowskiego jest dwojaki:

• rozpędzone elektrony oddziaływują z elektronami na powłokach atomów tarczy hamującej; rozpędzony elektron przekazuje część energii elektronowi w atomie tarczy znajdującemu się na powłoce K lub L; elektron przenosi się na wyższy poziom energetyczny; atom zostaje wzbudzony; elektron wracając do podstawowego poziomu energetycznego oddaje nadmiar energii w postaci emisji fotonu promieniowania elektromagnetycznego; energia fotonu wyemitowanego przez atom jest równa różnicy energii odpowiadających poziomom energetycznym pomiędzy którymi następuje przeskok elektronu

Poziomy energetyczne są wielkościami ściśle określonymi dla danego rodzaju atomu, dlatego energie emitowanych fotonów są charakterystyczne dla każdego rodzaju atomu, stąd promieniowanie rentgenowskie emitowane przez wzbudzony atom nazywane jest promieniowaniem charakterystycznym, a jego widmo jest liniowe.

• ruch cząsteczki naładowanej (elektron) jest traktowane jako przepływ prądu, któremu towarzyszy zawsze pole magnetyczne; hamowanie elektronu powoduje zakłócenie pola magnetycznego , a to zgodnie z prawami Maxwella jest źródłem fali elektromagnetycznej; energia elektronu utracona podczas hamowania jest zamieniana w energię fotonu promieniowania elektromagnetycznego; widmo jest ciągłe

Widmo - rozkład natężenia promieniowania w zależności od jego energii, częstotliwości lub długości fali.

Widmo promieniowania rentgenowskiego ryc. 1, str. 121

Podczas hamowania elektronów zachodzą jednocześnie oba mechanizmy powstawania promieniowania rentgenowskiego, stąd widmo ciągłe wzbogacone jest długości fal promieniowania charakterystycznego.

Widmo nie ma wyraźnej granicy po stronie fal długich, zaś od strony fal krótkich jest ograniczone najmniejszą długością fali λmin powstającego promieniowania.

Regulacja przenikliwości i natężenia promieniowania rentgenowskiego

Przenikliwość, czyli głębokość wnikania do wnętrza organizmu zależy od energii fotonów tworzących wiązkę promieniowania.

Promieniowanie, którego fotony mają dużą energię, czyli promieniowanie o małych długościach fali jest bardziej przenikliwe - promieniowanie twarde.

Promieniowanie o mniejszych energiach fotonów, czyli o większych długościach fali jest mniej przenikliwe - promieniowanie miękkie.

energia kinetyczna elektronu

e - ładunek elektronu

U - napięcie anodowe lampy

gdy elektron zostaje zahamowany jednorazowo to cała jego energia

zostaje zamieniona na energię fotonu

hν max - foton o maksymalnej energii

c - prędkość światła

h - stała Planca

e - Ładunek elementarny

Wielkości te (c, h, e) są stałymi fizycznymi, stąd minimalna długość fali zależy od napięcia anodowego lampy. Im wyższe napięcie, tym mniejsza długość fali, wyższa energia i przenikliwość.

Rozkład energii w widmie ciągłym promieniowania rentgenowskiego przy różnych napięciach anodowych ryc. 3, str. 124

Natężenie promieniowania jest równe energii przenoszonej przez wiązkę promieniowania w jednostce czasu przez powierzchnię jednostkową ustawioną prostopadle do kierunku jej rozchodzenia się.

I - natężenie promieniowania

C - stała dla danej lampy

Z - liczba atomowa pierwiastka, z którego zbudowane jest ognisko anody

Wartość I zależy od napięcia anodowego U i od liczby elektronów dochodzących do anody, czyli natężenia prądu anodowego (Ia).

Widmo ciągle promieniowania rentgenowskiego przyrożnych natężeniach prądu żarzenia ryc. 4, str. 125

Pochłanianie energii promieniowania przez równe tkanki w zależności od energii kwantów

Promieniowanie rentgenowskie przenikając przez materię oddziałuje na nią. Fotony mogą brać udział w jednym ze zjawisk: fotoelektrycznym, Comptona, tworzeniu pary elektron - pozyton. W miarę przenikania wiązka ulega osłabieniu. Osłabianie promieniowania zachodzi na skutek jego absorpcji lub rozpraszania (zjawisko fotoelektryczne- absorpcja, Comptona -absorpcja i rozpraszanie, tworzenie par elektron i pozyton- absorpcja).

Zmniejszenie natężenia wiązki po przejściu przez warstwę substancji podlega Prawu Lamberta:

Io - natężenie wiązki padającej

I - natężenie po przejściu przez warstwę osłabiającą

d - grubość warstwy

μ - liniowy współczynnik osłabiania

Liniowy współczynnik osłabiania zależy od energii fotonów promieniowania, od rodzaju substancji osłabiającej, stanu skupienia tej substancji, czyli jej gęstości.

μ/ρ masowy współczynnik osłabiania

Liniowy współczynnik osłabiania jest sumą współczynnika osłabiania w zjawisku fotoelektrycznym (τ), w efekcie Comptona (σ) i procesie tworzenia par elektron-pozyton (π).

μ= τ + σ + π liniowy współczynnik osłabiania

μ/ρ = τ/ρ + σ/ρ + π/ρ masowy współczynnik osłabiania

Ilość pochłoniętej energii promieniowania przez tkankę oraz jej współczynnik osłabiania zależy on rodzaju tkanki i od energii fotonów. Przy niewielkich energiach fotonu zachodzi zjawisko fotoelektryczne i najbardziej absorbują kości, zaś najmniej tkanka tłuszczowa. Przy energiach fotonów od 160 keV do 400 keV absorpcja energii w kościach i tkankach miękkich jest w przybliżeniu jednakowa. Promieniowanie o największej energii jest znów najsilniej absorbowane przez tkankę kostną.

Energia absorbowana w tkankach zależy od energii fotonów ryc. 7, str. 128

---