Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
1) Когерентное рассеяние – рассеивание длинноволнового рентгеновского излучения Условие: hn<Aи. У фотонов вследствие взаимодействия с электронами внутренних оболочек, крепко связанных с ядром, изменяется только направление движения, но энергия hn и длина волны не меняются. Так как энергия фотона и длина волны не меняется, то когерентное рассеивание не влияет на биологические объкты.
hn1= hn2, где n-частота.
2) Фотоэффект. hn≥Aи. При этом рентгеновский квант поглощается, а электрон отрывается от атома. Оторвавшийся электрон приобретает кинетическую энергию. Если она велика, то электрон может ионизировать соседние атомы путем соударения.
удаление электрона – процесс ионизации
hn= Еион + m0v2/2
3)Комптон-эффект hn>>Aи. При этом электрон отрывается от атома и приобретает некоторую кинетическую энергию. Энергия самого фотона уменьшается. Т.о. в результате некогерентного рассеивания (Комптон-эффекта) образуется вторичное рассеянное излучение и происходит ионизация атомов вещества.
hn= Еион+ mv2/2 + hn
Закон ослабления интенсивности рентгеновского излучения:
Iх=I0 е -µх
µ=µп +µр
µ2>µ1
вклад каждого слагаемого процесса определяется энергией фотона.
| Uа-к (кВ) | Фотоэффкт | Комптон-эффект |
| 100% | - | |
| 50% | 50% | |
| 1% | 99% |
6. Устройство рентгеновской трубки и рентгеновского аппарата. Жесткость и интенсивность излучения, их регулировка. Способ получения рентгеновских снимков. Применение рентгеновского излучения в медицине.
Устройство рентгеновской трубки: Трубка представляет собой стеклянную колбу (с возможно высоким вакуумом), с двумя электродами: анодом и катодом, к которым приложено высокое напряжение. Катод является источником электронов. Анод – металлический стуржень, имеет наклонную поверхность для того, чтобы направлять возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Под действием высокого напряжения электроны, испущенные раскаленной нитью катода, ускоряются до большой энергии. Кинетическая энергия приобретаемая электроном равна работе электрических сил и прапорциональна напряжению между катодом и анодом. Рентгеновское излучение возникает вследствие интенсивного торможения быстрых электронов в веществе анода при столкновения с его атомами (взаимодействия с электрическим полем атомного ядра и электронов).
Uа-к≈100∙103В
Ее→ЕRe
еUа-к=hc/λ
λmin= hc/ еUа-к 1)
Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое мягким. Мягкое излучение сильнее поглощается веществом. Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения и увеличивают жесткость.
Получение рентгеновских снимков. Если на пути рентгеновских лучей поместить неоднородное тело и перед ним поставить флуоресцирующий экран, то это тело, поглощая или ослабляя излучение, образует на экране тень. По характере этой тени можно судить о форме, плотности, структуре, а во многих случаях и о природе тел. т.е. существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображение внутренних органов.
µ1<µ2 I2<<I1
применение рентгеновского излучения в медицине:
Рентгенодиагностика:
1) Рентгеноскопия (рентгеновская трубка расположена позади пациента. Перед ним располагается флуоресцирующий экран. На экране наблюдается теневое (позитивное) изображение).
2) рентгенография (объект помещается на кассете, в которую вложена пленка со специальной фотоэмульсией . рентгеновская трубка располагается над объектом. Получаемая рентгенограмма дает негативное изображение, т.е. обратное по контрасту с картиной наблюдаемой при просвечивании. В данном методе имеет место большая четкость изображения. Перспективным вариантом данного метода является рентгеновская томография и компьютерная томография).
3) Флюорография
4)Рентгенотерапия – использование рентгеновского излучения для уничтожения злокачественных образований.
7.Принцип рентгеновской томографии. Рентгеновский томограф. Его устройство. В чем состоят основные отличия рентгеновской томограммы от рентгеновского снимка?
| Вид томографии | Физ. фактор | Физ. Явл. |
| Re | Re-излучение | Поглощение |
| ЯМР (магнитные резонанс) | ЭМ-волна | |
| ПЭТ (позитронно-электронная томография) | +е (позитрон) |
1) Поглощение Re
dI= -µIdх
µ - коэффициент поглощения, свойство ткани
lnI/I0=-µх
I=I0 e-µх
2) Re-исследование
Iа= I0 e-µх1
Iв= I0 e-µ2х2
Iв= I0 e-µ1х1 e-µ2х2= I0 e-(µ1х1+µ2х2)
Цель диагноза.
Определить µ3 и ∆µ3
Идея:
lnI1/I0= -(µ1+µ2)∆х
lnI2/I0= -(µ3+µ4)∆х
lnI3/I0= -(µ3+µ1)∆х
lnI4/I0= -(µ4+µ2)∆х
I0 - задаем
I1,I2,I3,I4 – измеряем(известно)
∆х – задаем (известно)
находим µ1µ2µ3µ4, решая систему из 4 уравнений
2048∙2048= 4194304
Система теорем Радона
Если я буду брать бесчисленное множество изображений предмета, то можно восстановить его с любой точностью
µ=Кλ'Z3
Техническое решение.
3) этап: измерения I1,I2,I3,I4…
4) этап: построение изображения
5) Каждому значению µ ПК приписывает свою яркость (цвет)
1срез – 1 секунда
Контраст ∆µ/µ=0,1%(на 10%)
Толщина слоя – 1-2мм
Предел разрешения 0,2мм
При томографии можно получить послойное рентгеновское изображение тела с деталями менее 2 мм. Это позволяет различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые
образования
8. Виды ионизирующих излучений.
Действие ионизирующего излучения на вещество. Поглощенная, экспозиционная и биологическая (эквивалентная) дозы, соотношения между ними. Единицы доз в системе СИ и внесистемные единицы, применяемые в медицине.
В процессе излучения явления радиоактивности были обнаружены 3 вида лучей, испускаемых радиоактивными ядрами.
Альфа –распад состоит в самопроизвольном превращении ядра с испусканием a-частиц (ядра гелия).
АZХ→ А-4Z-2Y+ 42a
При a-распаде дочернее ядро может образоваться в возбужденном состоянии. В эжтом случае энергия возбужденного ядра чаще всего выделяется в виде g-кванта. Поэтому альфа-распад сопровождается g-излучением.
Бета-распад состоит в самопроизвольном превращении ядра с испусканием электронов (или позитронов).
АZХ→ АZ+1Y + 0-1β +ν
Где ν – обозначение частицы антинейтрино. Электрон образуется вследствие внутриядерного превращения нейтрона в протон.
Гамма излучение имеет электромагнитную природу и представляет собой фотоны с длиной волны λ≤10-10 м
Излучение этого типа сопровождает не только a-распад, но и более сложные ядерные реакции.
Взаимодействие с веществом:
Заряженная частица при прохождении через вещество теряет свою энергию вследствие ионизационного торможения. При этом её кинетическая энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды.Для количественной характеристики взаимодействия заряженной частицы с веществом используют величины:
1) линейная плотность ионизации, i, число пар ионов, образующихся на единице ути пробега частицы: i=dn/dl
2) линейная тормозная способность вещества (S) – энергия, теряемая заряженной частицей на единице пути пробега: S=dE/dl
3) средний линейный пробег заряженной ионизирующей частицы (R) – расстояние между началом и концом пробега частицы в данном веществе.
Характерные особенности взаимодействие различных видов излучения с веществом:
Альфа- излучение:
По мере продвижения альфа-частицы в среде I сначала возрастает (при уменьшении скорости возрастает время, которое она проводит вблизи молекулы среды, поэтому вероятность ионизации увеличивается), а при завершении пробега (х=R) резко убывает, что связано с уменьшением скорости движения. Когда энергия частицы становится меньше энергии, необходимой для ионизации, образлование ионов прекращается. График зависимости линейной плотности ионизации от пути, пройденного альфа-частицей в среде:
Ионизация и возбуждение являются первичными процессами. Вторичные: увеличение скорости молекулярно-теплового движения, характеристическое рентгеновское излучение, радиолюминисценция, химические процессы.
Бета-излучение. Вызывает ионизацию, возбуждение, рентгеновское излучение (при торможении электронов), характерное черенковское излучение, когда скорость движения электрона в среде превышает скорость распространения света в этой среде.
Гамма-излучение вызывает незначительную первичную ионизацию, когерентное и некогерентное рассеяние, ионизирующий фотоэффект, образование электронно-позитронных пар, фотоядерные реакции, обусловленные взаимодействием кванта с ядром.
Поглощенная доза (D) - величина, равная отношению энергии ∆Е, переданной элементу облучаемого вещества, к массе m этого элемента: D=∆Е /m. В Си единицей поглощенной дозы является грей (Гр). 1 Гр соответствует дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемная единица 1рад=10-2 Гр
Экспозиционная доза излучения (Х) характеризует ионизирующее действие рентгеновского и γ-излучения в воздухе, окружающим облучаемое тело. В СИ единицей экспозиционной дозы является Кл/кг. В СИ единицей экспозиционной дозы является Кл/кг.
1Кл/кг соответствует экспозиционной дозе фотонного излучения, при которой в результате ионизации 1кг сухого воздуха (н.у.) образуются ионы с зарядом 1Кл каждого знака. Единицей мощности экспозиционной дозы является 1А/кг, а внесистемной единицей : 1Р/с. Так как доза излучения прапорциональна падающему ионизирующему излучению, то между излученной и экспозиционной дозами должна быть пропорциональная зависимость: D=fХ, где f – некоторый переходный коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и энергии фотонов.
Эквивалентная доза – (Н) используется для оценки действия ионизирующего излучения на биологические объекты; она имеет ту же размерность, что и поглощенная доза излучения, но название другое. В СИ: Зиверт [Зв], 1Зв=1Дж/кг
Внесистемная единица: 1бер=10-2 Зв. Между экспозиционной и поглощенными дозами есть связь: H=KD, где К – коэффициент качества (показывает во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем фотонного, при одинаковой дозе излучения в тканях).
9. Мощность дозы. Связь мощности экспозиционной дозы с активностью радиоактивного препарата.
Мощность дозы – величина, определяющая дозу, полученную объектом за единицу времени. При равномерном действии излучения мощность дозы N численно равна отношению дозы D ко времени t, в течение которого действовало ионизирующее излучение: N=D/t.
Единицей мощности дозы излучения является грей (Гр), который соответствует дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1кг передается энергия ионизирующего излучения 1Дж; мощность дозы излучения выражается в Гр/сек. Внесистемная единица дозы излучения – рад (1 рад=10-2 Гр=100эрг/г), её мощности рад в секунду.
Экспозиционная доза излучения (Х) характеризует ионизирующее действие рентгеновского и γ-излучения в воздухе, окружающим облучаемое тело. В СИ единицей экспозиционной дозы является Кл/кг.
1Кл/кг соответствует экспозиционной дозе фотонного излучения, при которой в результате ионизации 1кг сухого воздуха (н.у.) образуются ионы с зарядом 1Кл каждого знака. Единицей мощности экспозиционной дозы является 1А/кг, а внесистемной единицей : 1Р/с. Так как доза излучения прапорциональна падающему ионизирующему излучению, то между излученной и экспозиционной дозами должна быть пропорциональная зависимость: D=fХ, где f – некоторый переходный коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и энергии фотонов. Для воды и мягких тканей человека f=1, следовательно доза излучения в радах численно равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах.
Связь мощности экспозиционной дозы с активностью радиоактивного препарата:
Из источника γ-фотоны вылетают по всем направления. Число этих фотонов, пронизывающих 1м2 поверхности некоторой сферы в 1с, прапорционально активности А и обратно пропорциональнаплощади поверхности сферы (4πr2)/ Мощность экспозиционной дозы (Х/t) в объеме V зависит от числа фотонов, так как именно они вызывают ионизацию: Х/t=kγA/r2
Где kγ - которая характерна для данного радионуклида.
10. Закон радиоактивного распада (вывод). График закона. Искусственная радиоактивность. Метод меченых атомов, применение в медицине.
Радиоактивный распад – это статистическое явление. Пусть за малый интервал времени dt распадается dN ядер. Это число прапорционально интервалу времени dt, а также общему числу N радиоактивных ядер:
dN=-λNdt, где λ – постоянная распада, пропорциональная вероятности распада радиоактивного ядра т различная для разных радиоактивных ядер убывает со временем. Интегрируем полученное выражение и получаем lnN/N0=-λt. N= N0e-λt.
Это и есть основной закон радиоактивного распада: за равный промежуток времени распадается одинаковая доля начального количества ядер.
- процессы радиоактивного распада для двух веществ λ1>λ2.
Период полураспада – время в течение которого распадается половина радиоактивных ядер.
Искусственной называют радиоактивность ядер, образованных в результате различных ядерных реакций. Принципиального различия между естественной радиоактивностью нет. Им присущи общие закономерности.
Метод меченых атомов. При этом в организм вводят радионуклиды и определяют:
1) их расположение
2)скорость их накопления
3)активность в органах и тканях
Типичным примером является обследование патологий в щитовидной железе.
Для обнаружения распределения радионуклидов в разных органах используют гамма-топограф – прибор, который автоматически фиксирует распределение интенсивности радиоактивного препарата. Это сканирующий счетчик. Он последовавтельно проходит большие участки над телом пациента. Регистрация излучения фиксируется штриховой отметкой на бумаге.
11. Проникающая и ионизирующая способности a, b, g-излучений. Защита от радиоактивных излучений.
a-излучения – слабая проникающая способность, способнок ионизации.
b-частицы вызывают ионизацию и проникают в ткани организма на глубину 10-15мм
g-излучение – вызывает ионизацию и обладают высокой проникающей способностью