Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Как и любое другое электромагнитное излучение, рентгеновское излучение ослабляется, проходя через различные среды. В общем случае ослабление описывается законом Бугера – Ламберта (рис. 1.5).

Рис. 1.5. 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.

Коэффициент ослабления m определяется тремя основными механизмами взаимодействия квантов с веществом – фотопоглощением, когерентным и некогерентным рассеянием.

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. 1.6). Аналогичным образом можно объяснить «тройной» L-скачок.

Рис. 1.7. 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).

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.

Рис. 1.7. К формированию скачков поглощения

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.

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. 189). Сдвиг энергии рассеянного РИ зависит от угла падения и атомного номера элемента.

Сложность расчета истинного спектра излучения рентгеновской трубки, формируемого при ослаблении идеализированного излучения различными средами (в том числе, конструктивными элементами трубки) заключается в том, что линейный коэффициент ослабления, являясь суммой коэффициентов поглощения и рассеивания, имеет сложную зависимость от энергии квантов.

Спектральную зависимость коэффициента когерентного рассеяния можно описать с помощью полинома типа:

. (1.14)

Спектральная зависимость коэффициента некогерентного рассеяния описывается полиномом типа:

, (1.14)

Наибольшую трудность представляет собой описание спектральной зависимости коэффициента поглощения, которая имеет резкие скачки, а изменение ее между этими скачками можно описать с помощью полиномов типа:

, (1.15)

Тогда общая формула для расчета линейного коэффициента ослабления имеет вид

, (1.15)

В связи с этим, для расчета истинного спектра излучения рентгеновской трубки необходимо использовать справочные данные, вводя их в программы расчета как матрицы или векторы и используя встроенные функции построения зависимостей по точкам.