Тормозное излучение

Рентгеновские лучи образуются при бомбардировке мишени высокоэнергетическими электронами, особенно мишеней с высоким атомным номером (Z). Когда бомбардирующие электроны проникают в мишень, некоторые из них проходят близко к ядру из-за притяжения его положительного заряда и подвергаются воздействию его электрического поля. Взаимодействие электрических полей заставляет эти электроны замедляться и отклоняться вокруг ядра (подобно автомобилю, поворачивающему на повороте). При этом электрон теряет часть кинетической энергии (КЭ). Закон сохранения энергии гласит, что эта энергия не исчезает, а выделяется в виде испускания фотона, при этом энергия испущенного фотона определяется как:

• энергия рентгеновского фотона = начальная КЭ электрона - конечная КЭ электрона

  • Таким образом, полная энергия системы остаётся неизменной

  • Чем ближе электрон проходит к ядру, тем сильнее он замедляется и тем больше изменение кинетической энергии.

Рентгеновские фотоны, испускаемые таким образом, называют тормозным излучением (bremsstrahlung в переводе с немецкого означает «тормозное излучение»). Тормозное излучение может обладать любой энергией в диапазоне от нуля до максимальной KE бомбардирующих электронов (т. е. от 0 до Emax) в зависимости от степени воздействия электрического поля на электроны, формируя сплошной спектр. «Пик» фильтрованного спектра обычно приходится приблизительно на одну треть Emax. Например, в спектре тормозного излучения со значением Emax 120 keV пик спектра будет находиться примерно на уровне 40 keV. Нефильтрованный спектр тормозного излучения имеет форму наклонной прямой (рампы), при этом вероятность образования фотонов обратно линейно зависит от KE. 

Интенсивность тормозного излучения прямо пропорциональна квадрату атомного номера мишени (Z), числу элементарных зарядов бомбардирующей частицы (z) и обратно пропорциональна массе бомбардирующей частицы (m): Z² z / m. Из этого следует, что легкие частицы, такие как электроны и позитроны, бомбардирующие мишени с высоким атомным номером, генерируют тормозное излучение более эффективно, чем более тяжелые частицы, такие как альфа-частицы или нейтроны (которые также могут приводить к возникновению рентгеновского излучения за счет тормозного механизма, хотя это происходит значительно реже, чем в случае с электронами).

Большая часть рентгеновского пучка в диагностическом диапазоне от 30 до 150 kVp формируется за счет процессов тормозного излучения. При приложенном напряжении менее 70kVp тормозное излучение составляет ~100% рентгеновского пучка. Если приложенное напряжение превышает 70 kVp, на тормозное излучение приходится ~85% пучка. Большая часть генерируемого рентгеновского излучения имеет низкую энергию, поскольку электроны пучка с большей вероятностью взаимодействуют с внешними областями атома мишени, приводя к образованию фотонов низкой энергии, чем с внутренними областями атома мишени, где образуются фотоны высокой энергии.

Эффективность генерации рентгеновского излучения определяется такими основными факторами, как kVp, сила тока, время экспозиции, атомный номер материала анода и фильтрация пучка.