Взаимодействие рентгеновских лучей, фотоэлектрическое и комптоновское рассеяние для специалистов-...

Взаимодействие рентгеновских лучей. Фотоэлектрическое и комптоновское рассеяние являются основными механизмами взаимодействия рентгеновских лучей с веществом. Поэтому рентгенологам и рентгенологам важно знать эти эффекты.

Главы:
00:00 Введение
0:41 Фотоэлектрические эффекты
03:03 Комптоновское рассеяние
04:05 Относительный вклад
05:30 Краткое содержание

Более подробную информацию и иллюстрации из этого видео о взаимодействии рентгеновских лучей см. в этой публикации на нашем сайте:
https://howradiologyworks.com/x-ray-i...

При взаимодействии рентгеновских лучей с телом человека во время рентгеновской экспозиции формируется изображение, которое в значительной степени зависит от типа взаимодействия вещества и рентгеновских лучей. В диагностическом взаимодействии рентгеновских лучей доминируют два различных физических взаимодействия: фотоэлектрический эффект и комптоновское рассеяние.

Понимание влияния фотоэлектрического эффекта и комптоновского рассеяния, а также их поведения в зависимости от энергии может значительно улучшить вашу способность выбирать оптимальные технические параметры для конкретной клинической ситуации.

Мы начнём с общей диаграммы, демонстрирующей различия между взаимодействиями рентгеновских лучей: фотоэлектрическим, комптоновским и когерентным рассеянием, а затем подробно рассмотрим каждое из взаимодействий.

Взаимодействие рентгеновских лучей
Фотоэлектрический эффект вносит основной вклад в генерацию сигнала на рентгеновском изображении, поскольку рентгеновское излучение, попадая в вещество, задерживается и локально отдаёт свою энергию.

Фотоэлектрический эффект возникает при взаимодействии рентгеновского излучения с электроном в веществе. Фотоизлучение полностью поглощается, а его энергия передаётся электрону, который удаляется из электронного облака.

Поскольку электроны, находящиеся во внутренних оболочках, находятся в более стабильной конфигурации, электроны во внешних оболочках переходят во внутреннюю оболочку, испуская характеристическое рентгеновское излучение. Эти вторичные события имеют очень низкую энергию, поглощаются относительно локально и не вносят вклад в измеряемый сигнал изображения.

Вероятность такого взаимодействия с внутренними оболочками сильно зависит от атомного числа Z (т.е. Z^3), или количества протонов в ядре.

Следовательно, контрастность изображений в рентгеновских лучах и компьютерной томографии значительно выше для материалов с высоким атомным числом Z.

Во время этого взаимодействия электроны, перемещающиеся на внутреннюю оболочку, сохраняют энергию и испускают вторичные рентгеновские фотоны.

Другой важный момент заключается в том, что вероятность взаимодействия значительно выше при более низких энергиях диагностического рентгеновского излучения, т.е. (1/E^3), где E — энергия рентгеновских фотонов.

Поэтому, когда это возможно, обычно выгодно использовать фотоны с более низкой энергией для данной задачи визуализации, при условии, что они могут проникнуть в тело пациента.

Вывод: При фотоэлектрическом эффекте рентгеновское излучение проникает внутрь и локально передает свою энергию, в основном, энергичному электрону (который затем локально передает свою энергию).

Комптоновское рассеяние
Комптоновское рассеяние — второй по значимости эффект в рентгеновской визуализации. В этом случае рентгеновский фотон взаимодействует с электроном на внешней оболочке, и, следовательно, вероятность комптоновского рассеяния не зависит от Z.

Взаимодействие рентгеновских лучей с веществом и генерация сигнала изображения при рентгеновской визуализации
Как показано на рисунке, рентгеновский фотон выбивает электрон. Затем фотон вылетает в направлении, противоположном выбитому электрону, в целях сохранения импульса.

Важно помнить, что, в отличие от фотоэлектрического эффекта, здесь не вся энергия накапливается локально.

Рассеянный фотон может по-прежнему иметь значительную долю энергии падающего фотона. Он может проходить через тело пациента и потенциально может вызывать эффект вторичного рассеяния или быть измерен детектором.

Для получения дополнительной информации о влиянии рассеяния рентгеновских лучей на качество изображения и влиянии технических параметров на рассеяние рентгеновских лучей см. нашу публикацию о рассеянии рентгеновских лучей.

Основной вывод: при эффекте Комптона рентгеновское излучение взаимодействует со слабосвязанным электроном, и электрон и фотон продолжают движение в противоположных направлениях.