Введение. Ионизирующие излучения, основы дозиметрии

Ионизирующие излучения, основы дозиметрии

Время 90 минут

Тема: Ионизирующие излучения, основы дозиметрии

ЛЕКЦИЯ 27

по медицинской и биологической физике с основами высшей математики для студентов 1 курса лечебного, медико-диагностического и медико-профилактического факультетов.

Литература

1. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для мед. спец. Вузов. – М.: Высшая школа, 1999. – 616 с.

2. Ливенцев Н. М. Курс физики: Учеб. для вузов. В 2-х т. – М.: Высшая школа, 1978. – т. 1. - 336 с., т. 2. - 333 с.

3. Физический практикум: Для физ. спец. вузов/ А. М Саржевский, В. П Бобрович, Г Н Борздов и др; Под ре. Г. С. Кембровского. – Мн.: «Университетское», 1986. - С. 274-282, 301-306

8 Горский Ф. К., Сакевич Н. М. Физический практикум, 1980. – С. 221-225.

9 Губанов Н. И., Утепбергенов А. А. Медицинская биофизика: Учебник.- М.: Медицина, 1978.- 336 с.

Учебные и воспитательные цели:

В итоге изучения студенты должны знать:

1. общие физические закономерности, лежащие в основе процессов, протекающих в организме;

2. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Слой половинного ослабления. Защита от рентгеновского излучения. Физические принципы рентгенодиагностики и рентгенотерапии. Понятие о рентгеновской компьютерной томографии

Материальное обеспечение.

1. Слайды – 5 шт

Расчет учебного времени

№пп	Тема	Перечень вопросов	Количество выделяемого времени в минутах
		Введение
	Ионизирующие излучения, основы дозиметрии	Характеристическое и тормозное рентгеновское излучение. Спектр тормозного излучения и его граница.
	Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом (когерентное рассеяние, фотоэффект, Комптон-эффект)
	Закон ослабления потока рентгеновского излучения
	Использование рентгеновского излучения в медицине: понятие о рентгеноскопии, рентгенографии, рентгенотерапии и рентгеновской томографии
		Заключение

Тема:

1 минута

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.

Вопрос 1. 23 минут

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 ¸ 5×10^-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 ударе о его поверхность. 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 Масквелла, появляется электромагнитная волна.

Тормозное рентгеновское излучение имеет сплошной спектр. Рентгеновский спектр молибденовой мишени показан на рис.2a, где интенсивность линий спектра пропорциональна числу фотонов для определенной длины волны. Этот спектр состоит из двух компонент: непрерывной составляющей, охватывающей широкий диапазон длин волн, и линейчатой составляющей – для узкого интервала длин волн.

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.

a) b)

c)

Рис.2. a) Рентгеновский спектр излучения молибденовой мишени,

b) непрерывный спектр, c) линейчатый спектр

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 l_min возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию кванта:

, откуда: .

Выражая U в кВ и l в ангстремах, получим:

(1)

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким излучением, а длинноволновое – мягким излучением.

Интенсивность рентгеновского излучения определяется эмпирической формулой

J = kiU²Z, (2)

где i – сила тока, U – напряжение, Z – порядковый номер атома вещества анода, k – коэффициент пропорциональности (k = 10^-9 В ^-1).

Линейчатый спектр на фоне непрерывного спектра возникает из-за столкновения движущихся электронов с электронами атома, которые находятся на внутренних энергетических уровнях (рис.2с). 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)

n – частота спектральной линии;

Z – атомный номер испускающего элемента;

A и B – постоянные.

Вопрос 2. 20 минут.

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:

Дата добавления: 2014-01-14