лаб 1 / 1_3var

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Физика рентгеновского излучения»

Тема: Исследование физических основ формирования теневого рентгеновского изображения

Студент гр. 2202		Николаев А. В.	.
Преподаватель		Грязнов А. Ю.

Санкт-Петербург

2024 г.

Цель работы – исследование изменения спектрального состава тормозного рентгеновского излучения (РИ) при его прохождении через различные среды.

1.1. Основные теоретические положения

Идеализированное спектральное распределение интенсивности тормозного рентгеновского излучения, т. е. спектр излучения без учета его ослабления в мишени и выпускном окне рентгеновской трубки [Вт/(эВ ×Ч м²)], можно определить по формуле Крамерса

, (1.1)

где k₀ = 2.2 ×Ч 10^–9; I – ток электронного пучка, А; Z – атомный номер материала мишени; Е_mах = eU – максимальная энергия квантов в спектре (е – заряд электрона; U – напряжение трубки); E = hnn – энергия квантов с частотой nn, R² – расстояние от источника до приемника

Очевидно, что спектр тормозного излучения имеет коротковолновую (высокоэнергичную) границу ll_min, соответствующую максимальной энергии квантов Е_mах.

Рассмотрим схему пути излучения от фокусного пятна (в данной работе рассматривается трубка с прострельным анодом) до точки, где измеряется интенсивность (рис. 1.1).

Из рис. 1.1 видно, что спектр рентгеновского излучения, полученный по формуле Крамерса (идеализированный спектр), будет изменяться за счет ослабления рентгеновского излучения в мишени, выпускном окне, фильтре и воздушных промежутках «окно – фильтр» и «фильтр – приемник».

Тогда (1.1) приобретет следующий вид:

,

где exp (–mm(E)Х) – множитель, учитывающий ослабление интенсивности рентгеновского излучения в слое толщиной Х с линейным коэффициентом ослабления – mm(E).

Рис. 1.1. Схема прохождения пучка рентгеновского излучения через мишень,

выпускное окно и фильтр

Сложность расчета заключается в том, что линейный коэффициент ослабления, являясь суммой коэффициентов поглощения и рассеивания, имеет сложную зависимость от энергии квантов. В связи с этим для расчетов необходимо использовать справочные данные, вводя их в программы расчета как матрицы или векторы и используя встроенные функции построения зависимостей по точкам. В файле Lab_1_1.mcd лабораторной работы приведены зависимости линейных коэффициентов ослабления рентгеновского излучения от энергии для некоторых веществ.

Кроме того, необходимо учитывать, что глубина проникновения электронов в мишень (и, следовательно, путь рентгеновского излучения в мишени) зависит от напряжения трубки (или от энергии электронов в пучке). Зависимость глубины проникновения электронов в мишень также приведена в файле лабораторной работы.

Исторически первой областью применения рентгеновского излучения была дефектоскопия, т. е. просвечивание объектов с целью исследования их внутреннего строения (полостей, неоднородностей, инородных включений и т. д.).

В данной работе рассматривается процесс получения теневого рентгеновского изображения при просвечивании тормозным рентгеновским излучением объекта с дефектом (рис. 1.2). Рентгеновское излучение, проходя через различные среды, ослабляется неодинаково.

Рис. 1.2. Схема прохождения пучка рентгеновского излучения через

мишень, выпускное окно и дефектный образец

Таким образом, излучение, прошедшее через бездефектную область объекта, будет иметь одно распределение спектральной интенсивности, а прошедшее через дефектную область объекта – другое. Каждый квант, дошедший до детектора (например, рентгеновской пленки), вызывает его засветку (почернение). Следовательно, чем выше интенсивность излучения в какой-либо определенной точке, тем больше в ней будет плотность почернения рентгеновской пленки.

Учитывая вышеизложенное, можно записать формулы для интенсивности ослабленного излучения и прошедшего через дефектную и бездефектную части объекта следующим образом:

– для излучения, прошедшего через бездефектную часть объекта [Вт/(эВ ×Ч м²)];

– для излучения, прошедшего через область объекта с дефектом [Вт/(эВ ×Ч м²)].

Здесь I₀(E) – спектральная интенсивность до объекта; X и μ₀(E) – его толщина и линейный коэффициент ослабления соответственно; d и – толщина и линейный коэффициент ослабления дефекта.

Если считать, что степень засветки пленки в используемом диапазоне энергий зависит только от суммарной энергии квантов и не зависит от спектрального распределения излучения, то плотность почернения будет пропорциональна интегральной интенсивности излучения:

.

Тогда контрастность изображения дефекта на рентгеновской пленке можно будет определить:

.

Коэффициент контраста может быть выражен в процентном соотношении. Изображение различимо глазом, если контрастность более 5 %.

Обработка результатов: Таблица 1. Данные варианта №3

№ варианта	3
Материал мишени	Mo
Атомный номер материала мишени	42
Толщина мишени, мкм	50
Материал выпускного окна	Be
Толщина выпускного окна, мм	0.3
Материал фильтра	Al
Толщина фильтра, мм	1.4
Расст. фок. пятно – фильтр, см	5
Расстояние фильтр – точка Х, см	10
Рабочее напряжение трубки, кВ	50
Ток трубки, мА	3

Таблица 2. Данные варианта №9

№ варианта	3
Материал мишени	Ag
Атомный номер материала мишени	47
Толщина мишени, мкм	40
Материал выпускного окна	Be
Толщина выпускного окна, мм	0.5
Материал объекта	Al
Толщина объекта, мм	2.0
Материал дефекта	Mo
Толщина дефекта, мм	1.0
Расстояние фок. пятно – объект, см	12
Расстояние объект – детектор, см	10
Рабочее напряжение трубки, кВ	90
Ток трубки, мА	3

Рис 1.3. Спектральные интенсивности излучения (бездефектная часть)

Рис 1.4. Спектральные интенсивности излучения (дефектная часть)

Контрастность изображения дефекта составляет: K=16.4%

Вывод:

Спектр I0 интенсивности без учета прохождения через разные материалы представляет собой прямую линию т.к. отсутствует ослабляющее влияние на интенсивность.

Спектр I1 учитывает ослабление рентгеновского излучения в мишени и выпускном окне, но ещё без фильтрации. Поэтому его форма отличается от идеализированного спектра I0: на низких энергиях происходит более заметное ослабление, поскольку кванты с низкой энергией поглощаются сильнее.

Спектр I5 дополнительно учитывает ослабление излучения при прохождении через фильтр. Фильтр, вероятно, предназначен для удаления мягкого рентгеновского излучения, чтобы улучшить качество изображения и снизить шум.

Коэффициент контраста получился равным 16.4%, что больше 5%, это значит, что объект будет слабо различим. Сравнивая с результатами варианта 9, где этот коэффициент равен 51%, значит, что дефект Mo будет лучше замечен, чем дефект воздуха.