Produkce rentgenového záření – charakteristické záření

V minulém článku byla popsána jedna část rentgenového (rtg) spektra, a to brzdné záření. V této části bude vysvětlena druhá část spektra, charakteristické záření.

Každý elektron atomu terčíku rentgenky, je vázán na určité energetické slupce v elektronovém obalu. Nejblíže jádru atomu je K slupka, na které jsou elektrony vázány největší vazební sílou. Následuje L slupka, na které je vazební energie elektronů menší. Poté následují slupky M, N, O, P a Q. Se vzdalující se slupkou od jádra směrem k vnějším vrstvám klesá i vazebná energie elektronů na těchto slupkách. Pro každý prvek je však vazebná energie elektronů pro různé slupky různá [1]. Více o kvalitativním a kvantitativním hodnocení rtg spektra zde.

Vazebná energie v podstatě také říká to, jakou energii musíme elektronu na dané slupce dodat, aby se uvolnil z této slupky.

Je-li energie elektronu dopadajícího na rentgenový terčík větší než vazebná energie elektronu, dojde k uvolnění elektronu z dané slupky, čímž dochází k ionizaci atomu. Díra po elektronu na vnitřní slupce, např. K slupce, je nestabilní, proto dojde k zaplnění tohoto místa elektronem z vyšší slupky, např. L. Rozdíl vazebné energie mezi slupkou K a L je vyzářen ve formě charakteristického záření. Jedná se o diskrétní spektrum, na rozdíl od spektra brzdného záření, které je spojité [1].

Vazebná energie elektronů na jednotlivých slupkách pro atomy různých prvků je různá, i rozdíl mezi vazebnými energiemi slupek je různý pro atomy různých prvků. Pak i energie emitovaných fotonů charakteristického záření je pro různé prvky různá, ale pro atomy stejného prvku je stejná a je charakteristická pro každý prvek. Proto se toto záření nazývá charakteristické [1].

Při přechodu elektronu z vyšší slupky na nižší, např. ze slupky L na slupku K je pro wolfram vyzářena energie E=E(K)-E(L)=65,9 keV-10,2 keV = 59,3 keV. Ve spektru charakteristického záření se objeví pík označovaný K(alfa). Avšak může dojít i k tomu, že místo na K slupce je zaplněno elektronem až z M, N nebo O slupky, tedy nikoliv ze sousední slupky. Dojde k vyzáření fotonů o energii, které tvoří další pík ve spektru charakteristického záření, označovaný K(beta). Obecně se alfa uvádí u přechodů na sousedních slupkách, beta se uvádí u přechodů z nesousedních slupek. Každá ze slupek mimo slupku K je ještě rozštěpena na podslupky, které se liší vazebnou energií. Wolfram má na úrovni slupky L tři podslupky s vazebnými energiemi 12,1 keV, 11,5 keV a 10,2 keV. Píky ve spektru charakteristického záření jsou pak označovány ještě navíc malým číselným indexem, vyjadřujícím, ze které podslupky došlo k přechodu elektronu. Ukázka takového spektra je na obr. 1, kde je brzdné i charakteristické spektrum společně [1].

char_spektrumObr. 1: Rentgenové spektrum – brzdné+charakteristické záření [1]

Píky charakteristického záření, které pochází z jiných přechodů než na K slupku nejsou v radiodiagnostice důležité, protože jsou odfiltrovány základní filtrací rentgenky [1].

Pro vznik charakteristického záření je podstatné, aby elektron z katody dopadající na terčík měl vyšší energii, než je vazebná energie elektronu na dané slupce. Např. vazebná energie na K slupce wolframu je 69,5 keV, aby došlo k vyražení elektronu z této slupky, musí být elektron z katody urychlen alespoň potenciálem 69,5 kV. Množství vzniklých fotonů charakteristického záření se zvyšuje s rostoucím potenciálem. Např. při napětí 80 kV tvoří charakteristické záření přibližně 5 % všech fotonů produkovaných rentgenkou, ale při 100 kV je to již 10 % [1].

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

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *