Характеристическое излучение

Характеристическое излучение — это тип испускания энергии, имеющий важное значение для генерации рентгеновского излучения. В отличие от непрерывного спектра тормозного излучения, характеристическое излучение представлено линейчатым спектром. Поскольку каждый элемент имеет специфическое расположение электронов на дискретных энергетических уровнях (зависящих от состава ядра), излучение, возникающее в результате таких взаимодействий, является «характеристическим» для данного элемента.

Характеристическое излучение никогда не существует изолированно, и линейчатый спектр обычно накладывается на непрерывный спектр тормозного излучения.

Механизм

Такое испускание энергии происходит, когда быстро движущийся электрон сталкивается с электроном K-оболочки, и электрон K-оболочки выбивается (при условии, что энергия налетающего электрона превышает энергию связи электрона K-оболочки), оставляя после себя «дырку» (вакансию). Электрон с внешней оболочки (L-оболочки, M-оболочки и т. д.) заполняет эту вакансию с испусканием одного рентгеновского фотона, иногда называемого характеристическим фотоном. В соответствии с законом сохранения энергии образующийся рентген-фотон имеет энергию, равную разности энергетических уровней внешней и внутренней оболочек, участвующих в переходе. На примере вольфрама:

• Энергия связи на K-оболочке = 69.5keV

• Энергия связи на L-оболочке = 11.5keV

  • Следовательно, электрон, переходящий с L-оболочки для заполнения вакансии на K-оболочке в атоме вольфрама, образует фотон с энергией около 58.0keV (69.5-11.5)

Когда электрон переходит (каскадно опускается) с L-оболочки на K-оболочку, испускаемое рентгеновское излучение называется K-альфа излучением. Аналогично, когда электрон переходит с M-оболочки на K-оболочку, испускаемое излучение называется K-бета излучением. Однако возможны и переходы M-L и другие, но их вероятность настолько мала, что ими можно пренебречь. Кроме того, энергия характеристического излучения L-оболочки слишком мала для применения в диагностической рентгенологии и обычно ослабляется собственной фильтрацией рентгеновской трубки.

В вольфрамовой мишени переходы электронов с L-оболочки на K-оболочку приводят к образованию рентгеновских фотонов с энергиями 57.98 и 59.32 keV. Эти два энергетических уровня обусловлены принципом запрета Паули, который гласит, что никакие две частицы с полуцелым спином (такие как электроны) в атоме не могут одновременно находиться в абсолютно одинаковом энергетическом состоянии; следовательно, K-оболочка представляет два различных энергетических состояния, L-оболочка — восемь состояний и так далее.

Генерация

Если kVp рентгеновской трубки составляет менее 69.5 keV (энергия связи K-оболочки вольфрама), характеристическое излучение K-оболочки не генерируется. Когда напряжение превышает 69.5 keV, это характеристическое излучение может составлять до 25% от общего объема производимого рентгеновского излучения.

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