2) изменения энергетического состояния атомных ядер
3) ядерных превращений и аннигиляций пар частица-античастица
4) изменения энергетического состояния электронов в атоме
Тормозное излучение формируется при прохождении быстрых заряженных частиц, прежде всего электронов, в кулоновском поле атомных ядер. При изменении направления движения и снижении кинетической энергии часть энергии частицы преобразуется в электромагнитный квант — фотон рентгеновского диапазона. Поэтому отмеченный вариант является правильным: ключевым условием возникновения излучения служит потеря кинетической энергии движущейся заряженной частицей.
В медицинском линейном ускорителе электроны направляют на мишень из материала с большим атомным номером, например вольфрама. При торможении электронов возникает непрерывный спектр фотонов с максимальной энергией, приблизительно равной исходной энергии электронов; интенсивность тормозного излучения возрастает с увеличением энергии электронов и атомного номера материала мишени. Этот механизм принципиально отличается от характеристического рентгеновского излучения, возникающего при переходах электронов между оболочками атома, а также от гамма-излучения ядерного происхождения и фотонов аннигиляции.
| Вид излучения | Физический механизм | Спектр или энергия фотонов | Практический отличительный признак |
|---|---|---|---|
| Тормозное рентгеновское | Замедление и отклонение заряженной частицы в электромагнитном поле ядра | Непрерывный спектр; верхний предел определяется энергией частицы | Основной источник фотонного пучка медицинского линейного ускорителя |
| Характеристическое рентгеновское | Заполнение вакансии на внутренней электронной оболочке переходом электрона с более высокого уровня | Линейчатый спектр с энергиями, характерными для элемента | Энергия фотонов зависит от структуры электронных оболочек атома |
| Гамма-излучение | Переход возбужденного или радиоактивного атомного ядра в состояние с меньшей энергией | Дискретные энергии, определяемые ядерными уровнями | Возникает при ядерных превращениях, например при радиоактивном распаде |
| Аннигиляционное излучение | Взаимное уничтожение частицы и античастицы с преобразованием массы в энергию фотонов | Для покоящегося электрона и позитрона обычно два фотона по 511 кэВ | Используется как физическая основа позитронно-эмиссионной томографии |
| Основной энергетический фактор тормозного излучения | Потеря кинетической энергии электрона при взаимодействии с полем ядра | Чем выше энергия электронов, тем выше возможная энергия фотонов | Определяет проникающую способность и качество фотонного пучка |
| Материал мишени | Увеличение вероятности радиационного торможения в поле тяжелых ядер | Выход тормозных фотонов существенно возрастает с атомным номером вещества | Для эффективной генерации применяют мишени из материалов с высоким атомным номером |
В процессе генерации тормозного излучения значительная часть энергии электронов превращается в тепло, поэтому мишень требует эффективного теплоотвода. После формирования пучка его спектр и дозиметрические характеристики изменяют фильтрацией, коллимацией и системами мониторинга. В радиотерапии это позволяет получить требуемую энергию, равномерность и геометрию фотонного поля при контролируемой дозе в опухоли и окружающих тканях.