Ксерорентгенография

Ксерорентгенография является “сухим”, без использования серебро содержащих материалов методом получения рентгеновских изображений на бумаге. Она имеет меньшее быстродействие по сравнению с системами типа “экран — пленка”, но более высокое разрешение и дает изображения с выделением контуров.

Процесс получения ксерорентгенографического изображения основан на фотопроводящих свойствах селена и аналогичен обычному ксерокопированию. Приемник излучения состоит из слоя аморфного селена толщиной 125 мкм на алюминиевой подложке толщиной 2 мм. Перед экспозицией поверхность селена заряжается постоянным положительным зарядом, который поддерживается до начала экспозиции помещением приемника в светонепроницаемую кассету. (На практике за счет наличия малого темнового тока поверхностный заряд может “растекаться” за промежуток времени порядка одного часа). При экспонировании пластины рентгеновским излучением энергия падающих фотонов приводит к образованию электронов и дырок в объеме селена. Под влиянием внутреннего электрического поля эти носители заряда перемещаются к поверхностям селенового слоя. При этом электроны, которые достигают поверхности слоя, формируют скрытое (или зарядовое) изображение за счет вычитания заряда из исходного однородного его распределения.

Выявление скрытого изображения производится в два этапа: вначале поверхность слоя обрабатывается аэрозолью из мелких частиц цветного порошка. Эти частицы притягиваются распределенным зарядом на пластине, так что получается “порошковая” картина в виде распределения заряда, которое остается после экспозиции. Полученное изображение переносится затем на бумагу контактным способом и фиксируется на ней путем нагрева.

Процесс осаждения частиц регулируется путем подачи напряжения смещения на пластину, и возможно создавать либо позитивное, либо негативное изображения.

Быстродействие при ксерорентгенографической регистрации определяется коэффициентом поглощения рентгеновского излучения селеновым слоем, величиной поверхностного заряда на единицу поглощенной энергии и чувствительностью при проявлении скрытого изображения.

Коэффициент энергетического поглощения для селеновой пластины значителен при малых энергиях квантов за счет высокой (4,25 г/см3) плотности и толщины пластины, а также довольно высокого атомного числа селена (34), но он быстро падает с ростом энергии фотонов. К-край поглощения и уровень флуоресценции селена (соответственно 12,66 и 0,56 кэВ) невелики, но зависимость коэффициента энергетического поглощения от энергии фотонов не претерпевает существенных изменений вблизи края поглощения в отличие от материалов с большим атомным числом.

Эффективность W преобразования поглощенной в селене энергии в поверхностный заряд зависит от напряженности поля внутри пластины. Она определяется выражением

W = 510/E, (2.37)

где W — энергия (в эВ) одного нейтрализованного заряда на поверхности селеновой пластины, а Е — напряженность электрического поля (В/мкм). Величина W уменьшается обратно пропорционально напряженности электрического поля, поэтому желательно иметь высокий начальный поверхностный заряд. На практике начальная разность потенциалов, прикладываемых к селеновому слою, составляет около 1600 В; при этом начальное значение энергии W равно 44 эВ на единицу электрического заряда. Невозможно увеличить поверхностный заряд до очень больших величин, поскольку это могло бы привести к электрическому пробою пластины. При этом известно, что энергия W также обратно пропорциональна поверхностному заряду, и что с уменьшением дозы излучения поверхностный заряд, остающийся после экспозиции, уменьшается по экспоненциальному закону.

Полная эффективность преобразования W оказывается весьма низкой: лишь около 16% первоначально образованных пар зарядов достигает поверхности пластины.

Кроме того, оказывается, что оптимальное качество изображения на порошке имеет место при разряде пластины приблизительно до уровня 1/е (здесь e = 2,71828¼ – основание натуральных логарифмов) начального значения. Как следствие этого, доза облучения при использовании ксерорентгенографии оказывается довольно высокой. Благодаря тому, что порошковому методу свойственно выделять контуры изображения, его качество весьма высоко, хотя необходимый спектр рентгеновского излучения должен быть заметно жестче, а доза должна в 2 – 4 раза превышать дозу, получаемую в случае системы “экран – пленка”.

Рассмотрим процесс образования порошкового изображения. Пластина проявляется в горизонтальном положении, так что заряженные частицы порошка оседают на нее под воздействием силы тяжести и электрического поля поверхностных зарядов. Поскольку, электростатическое поле оказывается преобладающим, траектории движения частиц совпадают с силовыми линиями электрического поля. Рис. 2.24 иллюстрирует картину силовых линий вблизи скачка плотности заряда. На большом расстоянии от этого скачка силовые линии перпендикулярны поверхности пластины, поэтому частицы порошка падают вертикально, а отдаленные области с каждой стороны скачка имеют почти одинаковые плотности частиц. Поэтому метод дает слабый контраст больших областей.

Рис. 2.24. Силовые линии (в увеличенном масштабе) электрического поля вблизи границы скачка плотности зарядов на поверхности селеновой пластины

На малом расстоянии от скачка картина поля становится более сложной, что ведет к слабому оседанию частиц с одной стороны от скачка, и к сильному — с другой. Именно поэтому ксерорентгенографическое изображение выделяет контуры, вследствие чего рентгеновское изображение бывает легче интерпретировать, чем обычное изображение, и на нем легче обнаружить мелкие детали.

Нерезкость в зарядовом изображении определяется длиной пробега вторичных частиц, образующихся внутри пластин и в процессе проявления. В селене длина пробега фотоэлектрона с энергией 50 кэВ равна 20 мкм, а средняя длина свободного пробега характеристического рентгеновского кванта с энергией 11 кэВ составляет 70 мкм, так что нерезкость за счет вторичных частиц мала. Диаметр частицы порошка 4 мкм, а толщина порошкового слоя около 45 мкм, поэтому общая нерезкость приемника также невелика.