يعد الامتصاص التفاضلي للأشعة السينية في الأنسجة والأعضاء، بسبب تركيبتها الذرية أساس طرق التصوير المختلفة المستخدمة في الأشعة التشخيصية، ظلت المبادئ في إنتاج الأشعة السينية كما هي منذ اكتشافها. ومع ذلك، فقد تم إدخال الكثير من التحسينات في تصميم أنابيب الأشعة السينية لتحقيق الأداء المطلوب للفحوصات الإشعاعية اليوم.
أساسيات إنتاج الأشعة السينية
يتضمن إنتاج الأشعة السينية قصف هدف كثيف بالإلكترونات النشطة، كما تخضع هذه الإلكترونات لتسلسل معقد من التصادمات وعمليات التشتت أثناء عملية التباطؤ، مما يؤدي إلى إنتاج إشعاع مميز وإشعاع غير مميز. يتم وصف تبسيط هذه العملية، بناءً على النظرية الكلاسيكية، بعد ذلك.
غالبًا ما تتباطأ الإلكترونات النشطة في المادة عن طريق التصادمات وتفاعلات الإثارة، إذا اقترب الإلكترون من نواة الذرة فإن قوى كولوم الجذابة تسبب تغيرًا في مسار الإلكترون، كما يصدر الإلكترون المتسارع أو الإلكترون الذي يغير اتجاهه إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، يُطلق عليه اسم bremsstrahlung (إشعاع الكبح) ويتم طرح هذه الطاقة من الفوتون المنبعث من الطاقة الحركية للإلكترون.
إشعاع الكبح في الأشعة السينية
تعتمد طاقة فوتون بريمسسترالونغ على قوى كولوم الجذابة، وبالتالي على مسافة الإلكترون من النواة، كما إن استخدام النظرية الكلاسيكية للنظر في القصف الإلكتروني لهدف رفيع ينتج عنه تدفق طاقة ثابت من الصفر حتى الطاقة الحركية الأولية للإلكترون، كما يمكن اعتبار الهدف السميك بمثابة شطيرة من العديد من الطبقات المستهدفة الرقيقة، كل منها ينتج توزيعًا مستطيلًا لتدفق الطاقة. عندما يتباطأ الإلكترون في كل طبقة، تصبح الطاقة القصوى في التوزيع أقل حتى يستقر الإلكترون.
يشكل تراكب كل هذه التوزيعات المستطيلة توزيعًا ثلاثيًا لتدفق الطاقة لهدف سميك. في الواقع، هذا النموذج هو تبسيط حيث تُظهر نظرية ميكانيكا الكم أن التوزيع لطبقة رقيقة ليس مستطيلاً وأن التخفيض التدريجي لطاقة الإلكترون من طبقة إلى أخرى لا يتوافق مع خصائص التباطؤ للإلكترونات.
لا يتضمن الطيف المثلث أي تأثيرات توهين. وفقًا لمفهوم النموذج، تؤدي الزيادة في طاقة الإلكترون إلى زيادة عدد الطبقات الرقيقة التي تشع كل منها أشعة سينية، تنمو المنطقة المثلثية بشكل متناسب مع مربع طاقة الإلكترون. بالنظر إلى أن فلز الطاقة الإجمالي يتناسب مع المنطقة المثلثة وبما أن جهد أنبوب الأشعة السينية يحدد الطاقة الحركية للإلكترونات التي تقصف الأنود، فإن ناتج الإشعاع لأنبوب الأشعة السينية يتناسب مع جهد الاشعة.
الإشعاع المميز
يمكن أن يصطدم الإلكترون السريع بإلكترون الغلاف الذري بالإلكترون، بشرط أن تتجاوز طاقته الحركية طاقة الارتباط للإلكترون في تلك الغلاف. طاقة الربط هي الأعلى في معظم قشرة الالكترون الداخلية وتتناقص للأغلفة الخارجية، يحمل الإلكترون الأولي المبعثر فرق الطاقة الحركية وطاقة الربط.
ثم يتم ملء الفراغ في الغلاف بإلكترون من غلاف خارجي، مصحوبًا بانبعاث فوتون للأشعة السينية بطاقة مكافئة للاختلاف في طاقات الربط للأغلفة المعنية. لكل عنصر، تعتبر طاقات الربط والإشعاع أحادي الطاقة الناتج عن مثل هذه التفاعلات فريدة ومميزة لهذا العنصر، كما يشير إشعاع الالكترون إلى الإشعاع المميز لانتقالات الإلكترون إلى الغلاف، بدلاً من الإشعاع المميز، يمكن نقل الطاقة المتاحة إلى إلكترون مقذوف من الغلاف (إلكترون أوجيه)، يتناقص احتمال إنتاج إلكترون أوجيه مع العدد الذري.
طيف الأشعة السينية
تتباطأ الإلكترونات وتتوقف في الهدف، في نطاق بضع عشرات من الميكرومترات، اعتمادًا على جهد الأنبوب. نتيجة لذلك، لا تتولد الأشعة السينية على السطح ولكن داخل الهدف، مما يؤدي إلى إضعاف حزمة الأشعة السينية، يظهر هذا الترشيح الذاتي بشكل بارز في نهاية الطاقة المنخفضة للطيف.
بالإضافة إلى ذلك، يظهر الإشعاع المميز إذا تجاوزت طاقة الإلكترون الحركية طاقات الربط. يتم امتصاص الإشعاع تمامًا بواسطة ترشيح نموذجي يبلغ 2.5 مم ما يعادل الألومنيوم، كما يمكن ملاحظة الحافة للإشعاع في توهين الفوتون للتنغستن على أنها قطرة من السلسلة المتصلة عند طاقة الربط البالغة 69.5 كيلو فولت.
بالنسبة لأهداف التنجستن، يكون جزء الإشعاع الذي يساهم في تدفق الطاقة الإجمالي أقل من 10٪ لجهد أنبوب 150 كيلو فولت، تتناسب قوة إيقاف الكتلة الإشعاعية للإلكترونات مع Z²، حيث تكون Z هي العدد الذري للممتص، يعطي تكامل طاقة إيقاف الكتلة الإشعاعية على طول مسار الإلكترون إجمالي طاقة الأشعة السينية.
إذا كانت هناك حاجة إلى إنتاجية عالية من الإشعاع، يفضل استخدام المعادن ذات عدد ذري العالية، كما يتم اختيار التنجستن (Z = 74) بشكل شائع، حيث يتحمل أيضًا درجات حرارة عالية (2757 درجة مئوية عند ضغط بخار 1.3 × 10-2 باسكال)، تتناسب كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية إلى إشعاع إشعاعي متناسب عند 100 كيلو فولت، تكون الكفاءة منخفضة تصل إلى ~ 0.8٪. هذا هو سبب معظم المشاكل التقنية في تصميم أنابيب الأشعة السينية، حيث يتم تحويل كل الطاقة الكهربائية المطبقة في تسريع الإلكترونات إلى حرارة.
يبدو الطيف المثالي مثلثيًا، حيث يؤخذ تدفق الطاقة على أنه الكمية التي تصف كثافة الطيف، إن تأثير الفوتون هو كمية عملية أكثر للحسابات باستخدام البيانات الطيفية، تم تطوير نماذج أكثر دقة لتوليد أطياف الأشعة السينية باستخدام طرق مونت كارلو. لأغراض عملية، يعطي النهج شبه التجريبي نتائج مرضية وهي مفيدة في عمليات المحاكاة.
