Фотографический метод регистрации рентгеновских лучей и измерение их интенсивности

Механизм фотографического действия рентгеновских лучей по существу не отличается от механизма действия света.

Светочувствительная эмульсия фотопластинки или фотопленки представляет собой слой желатина, в котором рассеяны мелкие кристаллы галоидных солей серебра (AgBr и в небольшом количестве Agi). Световые и рентгеновские кванты и заряженные частицы, проходя сквозь слой эмульсии, отдают кристаллам часть своей энергии. При определенных условиях элементарные акты поглощения энергии кристаллами галоидов приводят к образованию в эмульсии так называемого «скрытого изображения», которое становится видимым после проявления.

Теория формирования скрытого фотографического изображения была создана Герни и Моттом. Основные ее положения таковы:

Кристалл, поглотивший кванты энергии заряженной частицы, приходит в возбужденное состояние. При этом, энергия некоторых валентных электронов настолько увеличивается, что они переходят в зону проводимости. Такие электроны блуждают по кристаллу до тех пор, пока не «застревают» в точечном дефекте кристаллической решетки, т. е. вблизи примесного атома или группы таких атомов (эти точечные дефекты являются центрами чувствительности кристалла). Вокруг захваченного центром чувствительности электрона возникает электрическое поле, которое вызывает важный вторичный эффект.

В кристаллах галоидных солей серебра имеется ничтожное количество его ионов, свободно перемещающихся по решетке. Притягиваясь к застрявшим в «ловушках» электронам, эти ионы нейтрализуются, превращаясь в «оседлые» атомы серебра. Такие нейтральные атомы серебра называют часто ядром скрытого фотографического изображения.

Проявление фотопластинки — это своеобразный усилиивающий процесс, в результате которого, благодаря восстанавливающему действию проявителя, групппа из нескольких атомов серебра разрастается до тех пор, пока все зерно эмульсии, на которое подействовал квант, не восстанавливается до металлического серебра. «Коэффициент усиления» для крупнозернистых эмульсий может доходить до 10¹².

Во время фиксирования фотопластинки непроявленные зерна серебряных солей растворяются, непрозрачные же кристаллы металлического серебра остаются в эмульсии, обусловливая ее почернение.

О количестве разложившихся зерен ТУ, приходящихся на каждый квадратный сантиметр поверхности фотопластинки, можно судить, пропуская через негатив световые лучи: величина N пропорциональна логарифму отношения интенсивности /₀ лучей, падающих на негатив, к интенсивности лучей /, проходящих сквозь эмульсионный слой:

Действительно, если на пленку падает пучок световых лучей интенсивностью /₀, то интенсивность / лучей, прошедших сквозь эмульсию, определится по формуле.

поскольку показатель а, характеризующий ослабление света в эмульсионном слое негатива, при заданной величине зерна серебра должен быть пропорционален числу зерен, приходящихся на 1 см² слоя. Прологарифмировав это выражение и перейдя к десятичным логарифмам, получим.

Величина ?" = giIJI) служит мерой почернения эмульсии и называется плотностью почернения, или почернением.

Приведенное выражение можно прочитать так: плотность почернения эмульсии, равная десятичному логарифму отношения интенсивности лучей, падающих на нагатив, к интенсивности лучей, прошедших сквозь него, пропорциональна количеству зерен металлического серебра, приходящихся на 1 см² эмульсии этого негатива.

Из сказанного выше следует, что, чем больше энергии поглотил эмульсионный слой, тем больше возникло центров проявления, тем больше серебра сохранилось в эмульсии после окончания всего фотографического процесса и тем выше почернение негатива.

Отношение почернения эмульсии к величине энергии, подействовавшей на 1 см² (т.е. к произведению интенсивности лучей на продолжительность освещения, называемому также экспозицией), характеризует чувствительность фотопластинки. Как показывает опыт, для лучей видимого света здесь прямой пропорциональности нет, иначе говоря, чувствительность эмульсии по отношению к световым лучам непостоянна, она зависит от действующей энергии.

Чувствительность рентгеновских пленок измеряется в «обратных рентгенах» (величина, обратная числу рентгенов, необходимых для создания плотности почернения, равной единице).

Лучи света поглощаются в эмульсии пластинки полностью, проникая в нее лишь на очень малую глубину, рентгеновские же лучи теряют в обычной эмульсии лишь несколько процентов своей энергии. Очевидно, увеличивая толщину эмульсионного слоя и вместе с тем количество поглощаемой в нем энергии, можно увеличить чувствительность пластинки. Практически оказалось удобным применить для работы с рентгеновскими лучами целлулоидные пленки с эмульсионными слоями, нанесенными с обеих сторон. Такая двусторонняя пленка поглощает почти вдвое больше энергии рентгеновских лучей, чем обычная, и при тех же условиях съемки ее почернение, в два раза выше почернения односторонней пленки.

Чем мягче рентгеновские лучи, тем большая доля их энергии остается в эмульсии. Поэтому чувствительность пленки с увеличением длины волны рентгеновских лучей возрастает параллельно увеличению коэффициента поглощения лучей.

Чувствительность эмульсии к световым и рентгеновским лучам при прочих равных условиях тем выше, чем крупнее зерна бромистого серебра. Однако эмульсию с чрезмерно крупным зерном не изготовляют: изображение на негативе получается пятнистым, и, кроме того, такая эмульсия обладает низкой разрешающей способностью. Мерой разрешающей способности негатива является максимальное приходящееся на 1 мм число раздельно видимых под микроскопом черных штрихов (ширина каждого светлого промежутка между парой штрихов должна быть равна ширине штриха). Для того, чтобы штрихи можно было различить, ширина каждого из них должна быть больше поперечника зерна эмульсии.

У эмульсий нормальной чувствительности разрешающая способность бывает 100 — 130, у высокочувствительных — около 70. Если рентгенограммы нужно увеличивать (а на таком увеличении основана микрорентгенография), то нужно использовать мелкозернистые малочувствительные пленки с разрешающей способностью до 300 — 400.

Жесткие лучи поглощаются эмульсией даже двуслойной пленки лишь незначительно. Поэтому часто прибегают к усилению прямого действия рентгеновских лучей действием возникающих при их прохождении через некоторые прозрачные соли (например, вольфрамат кальция) актиничных голубых световых лучей.

В кассете усиливающий экран (кусок картона, покрытый флуоресцирующей солью) прижимают к пленке так, чтобы слой этот соприкасался со светочувствительной эмульсией. Рентгеновские лучи проходят сквозь экран раньше, чем попадают на эмульсию, а при работе с двумя экранами — и после выхода из второго эмульсионного слоя.

Если количество разложившихся светочувствительных зерен пропорционально энергии лучей, подействовавших на эмульсию рентгеновской пленки, то измеряя число N в различных участках рентгенограммы, можно определить относительное значение интенсивности лучей, действовавших на эти участки.

Если почернение пленки очень мало, то можно под микроскопом сосчитать число разложившихся зерен. Однако, это очень кропотливый способ измерения и притом непригодный для сколько-нибудь значительных почернений; на практике же приходится иметь дело именно со значительными почернениями.

Обыкновенно не подсчитывают число /V, а измеряют оптическую плотность почернения О рентгенограммы в разных ее участках, пропуская сквозь негатив видимый свет и определяя отношение /₀//.

Для определения почернения служат приборы, называемые фотометрами.

Рассмотрим принцип действия микрофотометра МФ-4 (рис. 10.12). Фотометрируемый негатив укладывают на каретку (предметный столик) 1. Свет от проекционной лампочки, находящейся в фонаре 2, после оптической системы, смонтированной в том же фонаре, попадает на ограниченный участок и, пройдя негатив, через узкую измерительную щель 3 достигает селенового фотоэлемента 4.

Электродвижущая сила, возникающая в фотоэлементе под действием света, вызывает электрический ток в цепи зеркального гальванометра 5. По показаниям гальванометра, непосредственно наблюдаемым на логарифмической шкале.

6, можно найти плотность почернения в данном участке негатива. В первую очередь измеряют логарифм силы тока, возникающего при отсутствии негатива на каретке (Л), затем определяют логарифм силы тока, возбуждаемого светом, прошедшим сквозь негатив (В). Тогда плотность почернения ?) в фотометрируемом участке определяют по соотношению В = А-В.

Рис. 10.12. Микрофотометр МФ-4 [10]. а — принципиальная схема, б — общий вид.