Рассмотрим взаимодействие квантов рентгеновского излучения с атомами и молекулами вещества, в котором они распространяются. Очевидно, что результат этого взаимодействия, в первую очередь, зависят от энергии кванта и здесь принято выделять следующие случаи.
1) Энергия кванта меньше энергии ионизации атома ( hn < Аи ). Тогда на атомах вещества происходит рассеяние квантов без изменения их частоты. (см. рис. 1.4 а). Такое взаимодействие называется когерентным рассеянием. Оно характерно для длинноволнового (мягкого) рентгеновского излучения. Когерентное рассеяние приводит к изменению структуры падающего пучка рентгеновских лучей - если падающий на вещество пучок был параллельным, то появляются кванты, распространяющиеся по различным направлениям, подвергаясь частичному или полному поглощению веществом.
2). Энергия кванта превышает энергию ионизации (hn ³ Аи). В этом случае электрон отрывается от атома и приобретает некоторую кинетическую энергию- происходит фотоэффект (см. рис. 1.4 б). В результате фотоэффекта поглощенная энергия рентгеновского кванта вызывает ионизацию вещества и возбуждение атомов и молекул.
3) Энергия кванта значительно превышает энергию ионизации (hn >>Аи). Часть энергии hn падающего кванта идет на вырывание электрона из электронной оболочки атома вещества, а другая- на образование фотона меньшей энергии hn¢и другого направления распространения, а также на сообщение оторванному или свободному электрону кинетической энергии Ек :
hn= Аи + hn¢ + Ек .
Это явление называется эффектом Комптона, а рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны -некогерентным рассеянием (см. рис. 1.4 в). Получившие кинетическую энергию электроны отдачи могут ионизировать соседние атомы вещества путем соударения.
Отмеченные первичные акты взаимодействия рентгеновского излучения с веществом могут порождать ряд вторичных процессов. В частности, возбуждение атомов и молекул вызывает рентгенолюминесценцию, что используется для создания люминесцирующих экранов, позволяющих наблюдать рентгеновское изображения. Если при фотоэффекте наблюдается отрыв электронов с внутренних оболочек атомов, то возникает характеристическое рентгеновское излучение (рис.1.4 г).
Таким образом, жесткие рентгеновские лучи за счет эффекта Комптона, происходящего независимо и параллельно с ним фотоэффекта и вторичных процессов вызывают значительную ионизацию вещества, с которым они взаимодействуют.
В итоге, при воздействии рентгеновского излучения на биологические ткани в них возникают сильные структурные и функциональные изменения.
1.4 Закон ослабления рентгеновского излучения в веществе.
Рассмотренные выше первичные эффекты взаимодействия рентгеновского излучения с веществом приводят к тому, что при прохождении через слой
вещества интенсивность излучения уменьшается. Ее ослабление происходит за счет двух процессов: поглощения – когда энергия рентгеновских квантов растрачивается на структурные перестройки в веществе (кванты прекращают свое существование) и рассеяния – когда рентгеновские кванты изменяют свое первичное направление распространения (см. рис.1.5). Так, если на слой вещества падает параллельный пучок рентгеновских лучей с интенсивностью Io,то при прохождении слоя вещества толщиной х интенсивность излучения ,распространяющегося в прежнем направлении, принимает значение I . Ослабление происходит по тому же экспоненциальному закону, что и для световых лучей:
I = Io e - m X ,(5)
где m - линейный показатель ослабления, характеризующий убыль интенсивности рентгеновских лучей за счет поглощения (m п ) и рассеяния (m р ) на единице толщины слоя: m = m п + m р .
Наряду с линейным показателем используют также массовый показатель ослабления ( mм ), представляющий отношение линейного показателя к плотности r вещества :mм = m /r.
При рассмотрении закономерностей ослабления потока тормозного рентгеновского излучения в веществе следует учесть, что в этом излучении содержатся кванты различной энергии. Следовательно, они обладают различной проникающей способностью. Коэффициент m в формуле (5) является постоянным для данного вещества лишь для моноэнергетического рентгеновского излучения (определенной длины волны). При использовании формулы (5) в случае потока рентгеновских фотонов с различными энергиями вводят некоторый эффектный показатель ослабления mэф.
Для качественной оценки проникающей способности рентгеновского излучения на практике используется понятие слоя половинного ослабления - это такая толщина слоя поглотителя, которая ослабляет интенсивность падающего излучения в два раза. На рис.1.6 слой половинного ослабления (d1/2) проиллюстрирован на графике зависимости интенсивности рентгеновского излучения ( I) от толщины слоя ( х) вещества, через которое оно проходит. Связь между слоем половинного ослабления и показателем ослабления m может быть легко установлена аналитически. Если в формуле (5) x=d1/2 , то I = Io/2:
Io / 2 = Io e - md1/2 Þe + md1/2 = 2 Þln e + md1/2 =ln 2
Таким образом: d1/2 = ln 2/m = 0.69/m.
Например, слой половинного ослабления для рентгеновского излучения при напряжении на рентгеновской трубке 60 кВ составляет 10мм воды или 1 мм алюминия.
Когда излучение пройдет через слой половинного ослабления, то его спектральный состав изменится – излучение станет более жестким, т.к. более короткие рентгеновские лучи обладают большей проникающей способностью, а мягкое излучение поглощается сильнее. Поэтому второй слой половинного ослабления окажется толще первого. Например, при указанных выше условиях для воды он составит уже 15,3 мм, а третий слой – 20 мм. Чем больше отличия слоев половинного ослабления, тем больше неоднородность спектрального состава излучения. Этот эффект используется для создания пучков моноэнергетических рентгеновских лучей – фильтрации рентгеновского излучения. Так, при напряжении на трубке 80 кВ и фильтре в виде пластинки алюминия толщиной 20 мм излучение становится почти моноэнергетическим. Слой половинного ослабления при этом составляет 7 мм алюминия.