A röntgensugárról bővebben
Hogyan keletkeznek röntgenfotonok?
A nagysebességű elektronok (melyek a katód felől érkeznek), becsapódnak az anód fókuszterületébe.
Mi a különbség a röntgenfoton és a gammasugár között?
Csak az, hogy a röntgenfotont mesterségesen lehet előállítani, miközben a gammasugár szimplán a radioaktív anyag bomlásakor keletkezeik.
Az anódba csapódó elektronok a beeső elektronok.
A beeső elektronoknak óriási a kinetikus energiájuk. Ezt átadják a fókuszterület atomjainak. Ebből következően keletkezik a röntgenfoton.
A beeső elektronok mennyiségével és sebességével egyenesen arányos a röntgenfotonok mennyisége és energiája (minél több van az előbbiből és minél gyorsabb, annál inkább növekszik az utóbbi).
A fókuszterületen leadják az elektronok az energiájukat, kezdetét veszi a lassulás, majd elvezetésre kerülnek a nagyfeszültségű áramkörön belül.
A csőhöz érkező elektronoknak van potenciális energiájuk. Ezt mi határozza meg?
Az anód és a katód közötti feszültségkülönbség (kV).
Magyarul:
Ha 10 kV a feszültségkülönbség, akkor minden elektron 10 keV (kiloelektronvolt) energiájú lesz.
Mit szabályoz tehát a kV/feszültségérték beállítása a röntgenkészüléken?
Az elektronok energiáját.
Az elektron és az anód kölcsönhatása:
Attól függ, mivel ütközik a beeső elektron.
- Ha olyan elektronnal ütközik, mely az atom belső elektronhéján van, akkor karakterisztikus röntgensugár
- Ha az atommaggal / atommag erőterével ütközik, akkor fékezési röntgensugár
- Ha olyan elektronnal ütközik, mely az atom külső elektronhéján van, akkor infravörös sugárzás keletkezik. (vagyis hő) Miért? Mert a külső elektronhéjon lévő elektronok gerjeszthetőek.
Hőtermelés
A százalékos arányokat korábban már említettem:
- kevesebb, mint 1% alakul röntgenfotonná az elektronok kinetikus energiájából
- több, mint 99% hővé alakul
A diagnosztikus röntgenfoton-tartományban igaz az, hogy a legfontosabb a hő leghatékonyabb elvezetése. /Straton-cső/.
/Vannak olyan esetek, amikor a fotonkeltés sokkal hatékonyabb – nyilván magasabb MeV energiatartományokról beszélgetünk ilyenkor./
A kölcsönhatás, mely a nagyfokú hőtermelődést okozza a diagnosztikus röntgenfoton-tartományban:
A beeső elektronok a külső héjon tartózkodó elektronokkal ugyan ritkán okoznak ionizációt – mindazonáltal ezeket a külső héj elektronokat képesek gerjeszteni.
Mi történik ilyenkor?
A külső héjon tartózkodó elektron energiaközlés hatására (melyet a beeső elektron ad neki) alapállapotból gerjesztett állapotba kerül.
A gerjesztett állapotból való visszatérésnek a hatása: amikor az eredeti energiaszintjükre visszatérnek a külső héj elektronjai, elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, mégpedig infravörös tartományban.
Röntgensugár termelésének hatékonysága:
sugárzási energiaveszteség / kollíziós energiaveszteség
EK × Z/820,000
EK: a beeső elektron energiája
Z: az anód anyagának rendszáma
kollízió: a gerjesztés és az ionizáció
Fékezési sugárzás
A beeső elektron és az atommag erőterének kölcsönhatásából jön létre.
Az elektronhéjakon át kell haladnia a beeső elektronnak ehhez: ebből következik, hogy csak akkor tud létrejönni, amikor az elektronnak elég energiája van az áthaladáshoz.
Ugyanakkor, az elektron és az atommag töltése vonzást eredményez: az atommag pozitív töltéssel rendelkezik, míg az elektron negatívval.
Az is előfordulhat, hogy túl közel kerül a beeső elektron az atommaghoz: ilyenkor nem képes áthatolni az atommag erőterén.
Ilyen esetben lelassul a beeső elektron, illetve megváltozik a haladási iránya is.
A fékezés során elvesztett energia átalakul röntgenfotonná.
A röntgenfoton energiája megegyezik:
- a beeső és kilépő elektronok energiájának különbségével
Mi határozza meg a beeső elektron kinetikus energiaveszteségét?
Lefékeződéskor: milyen messze van az elektron a magtól (a beeső elektron és az atommag táv, más szóval).
Mi történik nagyobb távolság esetén?
Kisebb az energiaveszteség.
Így alacsony energiájú fékezési sugárzás keletkezik.
Mi történik kisebb távolság esetén?
Nagyobb az energiaveszteség.
Így nagyenergiájú fékezési sugárzás keletkezik.
Egy folytonos energiaspektrummal leírható a fékezési sugárzás energiája (ugyanis a fékeződési módból és folyamatból adódóan a röntgensugár energiája más és más).
A beeső elektron sokféle fékezési kölcsönhatásba lép több atomban, mielőtt elvesztené a kinetikus energiáját. Miután elveszti ezt, az áramkör része lesz ismét.
Karakterisztikus röntgensugár
Mikor keletkezik?
A beeső elektron az adott atom belső héján lévő elektronjával ütközik.
Mi történik ilyenkor?
A beeső elektron elegendő energiával rendelkezik ahhoz, hogy egy belső héjon elhelyezkedő elektron kötési energiáját legyőzze, ezáltal ionizálja az atomot.
Ionizáció következtében: az atomon belül elektronlyuk keletkezik. Ezáltal az atom instabillá válik. Ebbe az elektronlyukba ugrik egy másik elektron: egy külső héjon elhelyezkedő.
Ez röntgenfoton kibocsátást okoz.
Ennek a fotonnak az energiája egyenlő a két elektronhéj kötési energiájának különbségével.
Mi az a karakterisztikus kaszkád?
A külső héj elektron, mely beugrik az elektronlyukba – szintén egy elektronlyukat generál. Ezt ismét egy külső (külsőbb) héjon tartózkodó elektron tölti be.
Addig tart a folyamat, amíg a legkülső elektronhéjon is lyuk keletkezik (itt már nincs pótlás).
A karakterisztikus kaszkád több meghatározott energiájú röntgenfoton kibocsátásával jár.
A karakterisztikus röntgenfotonok energiája pontosan meghatározható – a fékezési röntgenfotonoké nem.
A pontos behatárolhatóság okán használható felépítő atomok meghatározására.
Wolfram: nagy rendszám (74).
74 elektronja: K-héj: 2, L-héj: 8, M-héj: 18, N-héj: 32, O-héj: 12, P-héj: 2.
Kötési energia: 69,5 keV /a sorrendnek megfelelően/.
Az elektronlyukba eső elektron bármelyik héjról érkezhet. Minél távolabbi héjról érkezik, annál nagyobb energiájú karakterisztikus röntgenfotont eredményez.
Ha szomszédos elektronpályákról érkezik az elektron az kisebb energiájú karakterisztikus röntgenfotont eredményez.
Csak a K-héjban történő elektronpótlás használható a diagnosztikában. A többi héjban keletkező karakterisztikus röntgenfoton energiája túl alacsony ehhez.
