Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Фотопоглощение. Спектральная зависимость коэффициентов фотопоглощения имеет вид гиперболы с несколькими резкими скачками (скачками фотопоглощения). Общее снижение коэффициента фотопоглощения с ростом энергии квантов обусловлено ростом их проникающей способности.

Возникновение скачков рассмотрим на примере K-скачка. Если энергия квантов несколько меньше, чем энергия связи электрона на K-оболочке, то вырывания электрона с K-оболочки не происходит и коэффициент фотопоглощения мал. Как только энергия кванта становится больше энергии связи, он может выбить электрон с K-оболочки и коэффициент фотопоглощения резко возрастет (скачок на уровне ЕК на рис. 1.5). Аналогичным образом можно объяснить «тройной» L-скачок.

Рис. 1.5. Спектральная зависимость

коэффициента фотопоглощения

При фотоэффекте атом возбуждается, а в нормальное состояние переходит двумя способами: испусканием характеристического рентгеновского излучения, что описывалось выше, или испусканием Оже-электронов (в результате так называемых безизлучательных переходов).

Рис. 1.5. К формированию скачков поглощения

Когерентное рассеяние (эффект Томсона). Когерентное рассеяние представляет собой изменение направления распространения излучения без изменения длины его волны. Для описания механизма возникновения этого эффекта воздействие рентгеновского излучения на объект (кристаллическую решетку) можно рассматривать как помещение положительно заряженных ядер атомов этого объекта в переменное электромагнитное поле. Находясь в электромагнитном поле, заряженные частицы совершают гармонические колебания (осцилляции). Заряженная частица, совершающая периодические колебания, является источником электромагнитного излучения. Частота этого излучения равна частоте колебаний заряженной частицы, которая, в свою очередь, равна частоте воздействующего электромагнитного поля, т. е. падающего рентгеновского излучения. Таким образом часть энергии излучения, падающего на объект начинает распространяться равномерно во всех направлениях, причем энергия отдельных квантов рассеянного излучения равна энергии квантов падающего излучения – что и является когерентным рассеянием.

Некогерентное рассеяние. При некогерентном рассеянии налетающий квант рентгеновского излучения испытывает соударение с электроном на оболочке атома вещества и передает ему часть своей энергии.

В результате этого взаимодействия (так как энергия кванта уменьшается) увеличивается его длина волны и мы наблюдаем эффект некогерентного рассеяния (т. е. рассеяние излучения на веществе с уменьшением длины волны этого излучения) (рис. 1.6). Сдвиг энергии рассеянного РИ зависит от угла падения и атомного номера элемента.

Закон Бугера – Ламберта. Закон Бугера – Ламберта описывает ослабление потока излучения слоем вещества. Очевидно, что интенсивность излучения до объекта всегда больше, чем интенсивность после объекта, следовательно, всегда происходит ослабление излучения веществом (рис. 1.7).

Рис. 1.7. К выводу закона Бугера – Ламберта

Ослабление интенсивности в элементарном слое можно описать (1.10) как

, (1.10)

где Ix – интенсивность лучей, падающих на слой dX, m - коэффициент пропорциональности. В этом случае можно выполнить следующие операции (1.11 – 1.13):

; (1.11)

; (1.12)

. (1.13)

В соответствии с законом Бугера – Ламберта ослабление излучения слоем вещества носит экспоненциальный характер. Так как коэффициент ослабления рентгеновского излучения велик в области малых энергии квантов и мал в области больших, то ослабление потока рентгеновского излучения происходит неравномерно: мягкое излучение почти целиком ослабляется объектом, а жесткое (высокоэнергетичное) излучение почти не взаимодействует с ним.

Рентгеновские трубки