Produkce rentgenového záření – brzdné záření

Rentgenové (rtg) záření vzniká při interakci vysokoenergetických elektronů s látkou, kdy je energie elektronů převedena na energii fotonů elektromagnetického (rtg) záření. Zařízení, které slouží k tvorbě rtg záření, se nazývá rentgenka. O rentgence více pojednáno zde.

Jen v rychlosti, rentgenka se skládá z elektronového zdroje (katoda) a terčíku (anoda), které jsou umístěny v evakuované skleněné baňce chlazené olejem, umístěné v olovem-stíněném krytu s kolimátorem, který umožňuje vymezení užitečného rtg svazku [1].

Mezi katodou a anodou je velmi rozdílný elektrický potenciál, kterým jsou elektrony z elektronového zdroje urychlovány a dopadají na anodu. Při urychlení získávají elektrony obrovskou kinetickou energii, která je úměrná urychlujícímu napětí mezi katodou a anodou [1].

Při dopadu elektronů na terčík (anodu) se jejich energie přemění na jinou energii. Velká část kinetické energie elektronů se prostřednictvím interakcí (jedná se o interakce s pouze malou změnou energie) elektronů s terčíkem přemění v neužitečné teplo, které je potřeba odvádět. Rychlost odvádění tepla, a tedy chlazení rentgenky je limitujícím faktorem při použití rentgenky [1].

Výjimečně dojde k tomu, že elektron se dostane do blízkosti pozitivně nabitého jádra atomu terčíku. Elektron prolétající kolem jádra je přitahován Coulombickými sílami, čimž se zpomaluje, je bržděn, ztrácí svou kinetickou energii a mění směr dráhy letu. Vzniká foton rtg záření o energii, která je rovna ztracené kinetické energii elektronu. Takto vznikající fotony se nazývají fotony brzdného záření, jinak nazývané bremsstrahlung [1].

Velikost kinetické energie, kterou elektron ztratí, je úměrná vzdálenosti od jádra, do které se elektron dostane. Coulombické síly kvadraticky narůstají se zmenšující se vzdáleností mezi elektronem a jádrem. Při relativně velké vzdálenosti od jádra jsou Coulombické síly slabé, elektron při průletu v této vzdálenosti je jen slabě přitahován, ztratí málo energie a vzniká foton s malou energií (foton 3 na obr. 1). Při menší vzdálenosti mezi elektronem a jádrem jsou Coulombické síly působící na elektron větší, elektron ztrácí více kinetické energie, vzniká foton s větší energií (foton 2 na obr. 1). Při přímé interakci elektronu s jádrem ztrácí elektron celou svou kinetickou energii, vzniká nejenergetičtější foton (foton 1 na obr. 1). Tato situace je vzácná. Grafické znázornění těchto interakcí je na obr. 1.

Brzdne_zareniObr 1: Vznik brzdného záření [1]

Pravděpodobnost interakce elektronu přímo s jádrem je extrémně nízká, protože atom obsahuje pouze velmi malé jádro a velmi velký elektronový obal, který je „prázdný“. Účinny průřez pro tuto interakci je tedy nízký. Proto fotony s maximální energií vznikají výjimečně, podstatně častější je vznik fotonů s nižší energií. Množství fotonů s rostoucí energií klesá. Maximální energie fotonů je určena urychlujícím napětím mezi katodou a anodou rentgenky [1].

Ukázka energetického spektra (=množství fotonů v závislosti na energii) je uvedena na obr. 2. V případě brzdného záření mluvíme o spojitém spektru energií, na rozdíl od charakteristického záření, které má spektrum diskrétní. Nefiltrované spektrum brzdného záření je znázorněno čárkovaně. Filtrované spektrum odpovídá spektru, které prochází vrstvou materiálu, jako např. spektrum vycházející z rentgenky, které je filtrováno materiálem tvořícím výstupní okénko rentgenky. Filtrované spektrum je znázorněno plnou čarou. V tomto spektru chybí fotony o nízké energii, které byly odfiltrovány neboli absorbovány daným materiálem. Na ukázce spektra je dobré si uvědomit, že maximální energie fotonů brzdného záření odpovídá urychlujícímu napětí (max. energie 90 keV, urychlující napětí rentgenky 90 kV) [1].

Brzdne_spektrumObr. 2: Spektrum brzdného záření – filtrované a nefiltrované [1]

Mezi základní faktory ovlivňující efektivitu produkce brzdného záření patří atomové číslo materiálu terčíku a kinetická energie elektronů (určená potenciálem mezi katodou a anodou). S rostoucí kinetickou energií elektronů a s rostoucím atomovým číslem terčíku roste i množství energie přeměněné na fotony brzdného záření [1].

Při napětí 60 kV se 99,5 % kinetické energie elektronů přemění v nežádoucí teplo a pouze 0,5 % energie se přemění na energii fotonů brzdného záření. Při napětí 100 kV se 99 % kinetické energie elektronů přemění v nežádoucí teplo a pouze 1 % energie se přemění na energii fotonů brzdného záření. Při napětí 20 MV (terapeutické svazky) se 70 % kinetické energie elektronů přemění v nežádoucí teplo a pouze 30 % energie se přemění na energii fotonů brzdného záření.

Použitá literatura:
[1] Bushberg JT, Seibert JA, Leidholdt EM, Boone JM. The essential physics of medical imaging. Second edition. Lippincott Williams & Wilkins, 2002, Philadelphia

1 komentář u „Produkce rentgenového záření – brzdné záření

  1. Soňa Svobodová

    Dobrý den,
    chci Vám moc a moc poděkovat za to, že jste mně – jedné radiologické asistentce v pokročilém věku , pomohla otevřít oči a ukázat cestu k tomu, jak konečně pochopit to, co jsem dřív jen tušila nebo ani chápat nechtěla. Umíte psát jasně, stručně a zábavně, což je u tohoto oboru značně náročné. Nebýt Vás a pana Vojtěcha Ullmanna, zemřu radiační fyzikou nepolíbená.
    Těším se na další články a testy. Děkuji S.Svobodová

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *