Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Задание для студентов на практическое занятие №9
«Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение»
Цель занятия: Закрепить знания полученные на лекции по теме «Рентгеновское излучение». Использовать эти знания для решения задач по данной теме.
Вопросы теории ( исходный уровень)
Природа тормозного и характеристического рентгеновского излучения, их характеристики и свойства. Виды взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. Основы рентгеновской компьютерной томографии.
Устройство рентгеновской лампы, спектр тормозного излучения и его регулировка. Характеристическое излучение, Закон Мозли. Закон ослабления рентгеновского излучения веществом, слой половинного ослабления. Линейный и массовый показатели ослабления, их зависимость от жёсткости излучения и свойств вещества. Использование рентгеновского излучения в диагностике и лучевой терапии. Методы защиты от рентгеновского излучения. (лекция №17)
Содержание занятия:
1.Ответить на вопросы.
2.Решить задачи.
Задачи по теме для ответов у доски и самостоятельного решения.
Рентгеновское излучение
Введение
Томография компьютерная – метод рентгеновского исследования, заключающийся в круговом просвечивании объекта рентгеновским излучением и последующем построении с помощью быстродействующей ЭВМ послойного изображения этого объекта.
Математические принципы метода были обоснованы Кормаком в 60-х годах XX века. Первое официальное сообщение о применении компьютерной томографии для исследования головы человека сделано Хаунсфилдом и Амброусом в 1972г. Первый компьютерный томограф для всего тела был создан Ледли в 1974г. За разработку метода компьютерной томографии в 1979г. Хаунсфилду и Кормаку была присуждена Нобелевская премия.
1. Характеристическое и тормозное рентгеновское излучение. Спектр тормозного излучения и его граница.
Рентгеновским излучением называется электромагнитные волны с длиной ~ от 80нм до 10-5нм (в медицине 10 510-3нм). По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое. Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке быстрыми электронами твердых мишеней. Источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка (рис.1).
Рис.1. Рентгеновская трубка
Рентгеновская трубка состоит из подогреваемого катода и анода, заключенных в баллон с высоким вакуумом (10-7мм рт. ст.). Между катодом и анодом приложено напряжение порядка 105В. Освобожденные из катода электроны, ускоряются электрическим полем и, двигаясь к аноду, достигают скоростей порядка сотен тысяч км/с (в зависимости от величины напряжения между анодом и катодом). Достигнув анода, электроны резко затормаживают при взаимодействии с веществом анода. При этом происходит превращение части кинетической энергии электронов в энергию электромагнитного излучения; однако большая часть энергии электронов превращается в энергию молекулярно-теплового движения частиц анода, что вызывает его сильное нагревание (поэтому анод изготавливают из хорошо теплопроводящего материала, например, меди). Возникающее электромагнитное излучение называют тормозным рентгеновским излучением. Его механизм объясняют 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.
Тормозное рентгеновское излучение имеет сплошной спектр.
Возникновение непрерывного спектра тормозного рентгеновского излучения объясняется тем, что одни электроны тормозятся быстрее, другие медленнее, что и приводит к возникновению электромагнитного излучения с различными длинами волн.
c)
Рис.2. a,
b
Когда электрон теряет энергию в этом процессе, вся или часть энергии переходит в фотон. Таким образом, каждый электрон теряет свою энергию в виде фотона излучения. Максимум энергии непрерывного спектра возникает, когда электрон теряет всю энергию в результате отдельного взаимодействия, эта энергия излучается в виде фотона. Рентгеновское излучение, возникающее при торможении потока электронов электростатическим полем атома называется тормозным, его спектр является непрерывным. В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение min возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию кванта:
, откуда: .
Выражая U в кВ и в ангстремах, получим:
|
(1) Максимум энергии излучения приходится на max |
Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким излучением, а длинноволновое – мягким излучением.
Рентгеновский аппарат
|
Простейший рентгеновский аппарат. Р- рентгеновская трубка, Т1-высоковольтный трансформатор, АТ- автотрансформатор, Т2-низковольтный трансформатор цепи накала, R-переменное сопротивление. |
Аппаратные характеристики
Интенсивность рентгеновского излучения определяется эмпирической формулой
J = kiU2 Z (2) ,
где i – сила тока, U – напряжение, Z – порядковый номер атома вещества анода, k – коэффициент пропорциональности (k = 10-9 В-1).
|
Спектр излучения рентгеновской трубки при постоянной силе тока, одного и того же материала анода и меняющегося напряжения U3 U2 U1 |
|
Спектр излучения рентгеновской трубки при постоянном напряжении и меняющейся силе тока I2 I1 |
|
|
Спектр излучения рентгеновской трубки при постоянном напряжении, силе тока и различных анодов ( антикатод) Ag ; Cu ; Al |
Линейчатый спектр на фоне непрерывного спектра возникает из-за столкновения движущихся электронов с электронами атома, которые находятся на внутренних энергетических уровнях (рис.).
|
Этот спектр состоит из двух компонент: непрерывной составляющей, охватывающей широкий диапазон длин волн, и линейчатой составляющей – для узкого интервала длин волн. |
Это происходит при больших напряжениях на рентгеновской трубке. Поток электронов выбивает атомный электрон A из внутреннего энергетического уровня, и атом переходит в возбужденное состояние. При этом электрон с внешнего энергетического уровня B переходит на освободившееся место. Это приводит к излучению энергии, величина которой равна разности энергии энергетических уровней. Такое рентгеновское излучение называется характеристическим. Его спектр является линейчатым. Вид этого спектра зависит от используемого химического элемента мишени.
Как видно из рис.3, характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий K, L, M и т.д. Так как при излучении K-серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии других серий.
Рис.3. Возникновение характеристического рентгеновского излучения
В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. Это обусловлено тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, т.к. силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра.
Мозли установил простой закон, связывающий частоты спектральных линий с атомным номером испускающего их элемента:
, (3)
– частота спектральной линии;
Z – атомный номер испускающего элемента;
A и B – постоянные.
2. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом (когерентное рассеяние, фотоэффект, Комптон-эффект)
Проходя через вещество, фотоны рентгеновского излучения взаимодействуют в основном с электронами атомов и молекул вещества. При этом имеют место три главных процесса:
Когерентное рассеяние
Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит, в основном, без изменения длины волны, и его называют когерентным. Оно возникает, если энергия кванта меньше энергии ионизации, т.е. E = h < Au (Au – энергия, необходимая для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы). Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения учитывается возможность изменения направления первичного пучка.
Эффект Комптона (некогерентное рассеяние)
Эффект Комптона возникает в результате рассеяния жестких рентгеновских лучей, при этом у рассеянных лучей длина волны больше, чем у падающих (1922г, Комптон). Эффект возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации:
h > Au. (4)
Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия фотона hрасходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией h, на отрыв электрона от атома (Au) и сообщение электрону кинетической энергии Ek:
h = h + Au + Ek. (5)
Так как во многих случаях h >> Au или эффект Комптона происходит на свободных электронах, то можно приближенно записать:
h = h + Ek. (6)
Рис.4. Некогерентное рассеяние
В этом явлении наряду со вторичным рентгеновским излучением (h) появляются электроны отдачи (Ek). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.
Фотоэффект
Фотоэффект рентгеновских лучей впервые был изучен А.Ф. Иоффе и Н.И. Добронравовым. При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, при этом атом ионизируется (фотоионизация). Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.
Три основных процесса взаимодействия, рассмотренных выше являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям. Например, ионизированные атомы могут излучать характеристический спектр, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминесценция) и т.п. Рентгеновское излучение приводит к образованию перекиси водорода в воде, действует на фотопластинку. Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводности электролитов под влиянием рентгеновского излучения (используется в дозиметрии).
3. Закон ослабления потока рентгеновского излучения
Интенсивность рентгеновского излучения при прохождении через вещество изменяется. В результате многих процессов первичный поток рентгеновского илучения ослабляется в соответствии с законом
, (8)
где – линейный коэффициент поглощения (ослабления), L- толщина слоя
– линейный коэффициент поглощения его можно представить состоящим из трех слагаемых, соответствующих когерентному рассеянию к , некогерентному рассеянию нк , и фотоэффекту ф.:
=к + нк + ф
Это уравнение описывает экспоненциальное уменьшение интенсивности излучение при прохождении рентгеновского излучения через слой поглощающего вещества (рис.5). Линейный коэффициент поглощения вещества увеличивается при увеличении атомного числа и плотности и зависит от энергии падающего рентгеновского излучения. В общем случае увеличивается при уменьшении энергии рентгеновского излучения.
Рис.5. Изменение интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через поглощающую среду
Линейный коэффициент поглощения (ослабления) зависит от природы вещества (от плотности и атомного номера) и от длины волны (энергии фотонов) излучения. Используют также массовый коэффициент ослабления, который равен отношению линейного коэффициента ослабления к плотности поглотителя и не зависит от плотности вещества.
Свойство различных веществ и тканей живого организма по-разному поглощать рентгеновское излучение лежит в основе медицинской рентгенографии. Объектом исследования является часть тела пациента. Регистрация изображения производится с помощью фотографической пластинки. Кости, которые в основном состоят их кальция, поглощают рентгеновское излучение лучше, чем мягкие ткани (легкие, гастро-желудочный тракт). Для диагностики желудочного тракта проблема решается путем введения солей бария, которые хорошо распределяются в желудке и хорошо поглощают рентгеновские лучи. Используя тормозное рентгеновское излучение, можно проводить диагностику костного скелета человека, гастро-желудочного тракта, верхних дыхательных путей.
4. Использование рентгеновского излучения в медицине: понятие о рентгеноскопии, рентгенографии, рентгенотерапии и рентгеновской томографии
Для целей диагностики используют фотоны с энергией порядка 60 120кэВ. При этих энергиях массовый коэффициент ослабления в основном определяется фотоэффектом. Его значение
m = k3 Z3, (9)
где k – коэффициент пропорциональности. Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутриклеточных органов тела человека.
Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгеноскопия – изображение рассматривается на рентгенолюминесцирующем экране и рентгенография - изображение фиксируется на фотопленке.
С лечебной целью – рентгенотерапия – рентгеновское излучение применяют главным образом для уничтожения злокачественных образований.
Флюорография – фиксация изображения на чувствительной малоформатной пленке с большого рентгенолюминесцирующего экрана.
Томография – метод рентгенологического исследования, заключающийся в получении теневого изображения отдельных слоев исследуемого объекта, лежащих на разной глубине.
Томографию производят с помощью специальных рентгенодиагностических аппаратов – томографов. Томограф состоит из источника рентгеновского излучения (Рт1, 2, 3 – рентгеновская трубка в положениях 1, 2, 3), приемника излучения (Фп – кассеты с усиливающим экраном и пленкой или селеновой пластиной), устройства для фиксации больного, а также механизма для синхронного перемещения излучателя и приемника либо больного и приемника излучения (см. рис.6).
Томография компьютерная – метод рентгеновского исследования, заключающийся в круговом просвечивании объекта рентгеновским излучением и последующем построении с помощью быстродействующей ЭВМ послойного изображения этого объекта.
Математические принципы метода были обоснованы Кормаком в 60-х годах XX века. Первое официальное сообщение о применении компьютерной томографии для исследования головы человека сделано Хаунсфилдом и Амброусом в 1972г. Первый компьютерный томограф для всего тела был создан Ледли в 1974г. За разработку метода компьютерной томографии в 1979г. Хаунсфилду и Кормаку была присуждена Нобелевская премия.
Рис.6. Рентгеновская томография