Як працюють рентгенівські трубки?

Рентгенівське випромінювання створюється шляхом перетворення енергії електронів в фотони, яке відбувається в рентгенівській трубці. Кількість (експозицію) і якість (спектр) випромінювання можна регулювати шляхом зміни струму, напруги і часу роботи приладу.

Принцип роботи

Рентгенівські трубки (фото приведено в статті) є перетворювачами енергії. Вони отримують її з мережі і перетворюють в інші форми - проникаюче випромінювання і тепло, при цьому останнє є небажаним побічним продуктом. Пристрій рентгенівської трубки таке, що вона максимізує виробництво фотонів і розсіює тепло так швидко, наскільки це можливо.

Трубка являє собою відносно простий прилад, як правило, містить два принципових елемента - катод і анод. Коли струм тече від катода до анода, електрони втрачають енергію, що призводить до генерації рентгенівського випромінювання.

анод

Анод є компонентом, в якому проводиться випускання високоенергетичних фотонів. Це порівняно масивний елемент з металу, який з`єднується з позитивним полюсом електричного кола. Виконує дві основні функції:

перетворює енергію електронів в рентгенівське випромінювання,
розсіює тепло.

Матеріал для анода вибирається так, щоб посилити ці функції.

В ідеалі більшість електронів повинно утворювати високоенергетичні фотони, а не тепло. Частка їх повної енергії, яка перетворюється в рентгенівське випромінювання, (ККД) залежить від двох чинників:

атомного номера (Z) анодного матеріалу,
енергії електронів.

У більшості рентгенівських трубок в якості матеріалу анода використовується вольфрам, атомний номер якого дорівнює 74. На додаток до великого Z, цей метал має деякими іншими характеристиками, які роблять його придатними для цієї мети. Вольфрам унікальний за своєю здатністю зберігати міцність при нагріванні, має високу температуру плавлення і низьку швидкість випаровування.

Протягом багатьох років анод робили з чистого вольфраму. В останні роки почали використовувати сплав цього металу з ренієм, але лише на поверхні. Сам анод під вольфрам-рениевая покриттям виготовляється з легкого матеріалу, добре акумулює тепло. Двома такими речовинами є молібден і графіт.

Рентгенівські трубки, які використовуються для мамографії, виготовляють з анодом, покритим молібденом. Цей матеріал має проміжний атомний номер (Z = 42), який генерує характеристичні фотони з енергіями, зручними для зйомки грудей. Деякі прилади для мамографії також мають другий анод, виконаний з родію (Z = 45). Це дозволяє підвищити енергію і домогтися більшого проникнення для щільної грудей.

Використання реній-вольфрамового сплаву покращує довгостроковий вихід випромінювання - з часом ефективність пристроїв з анодом з чистого вольфраму зменшується внаслідок термічного пошкодження поверхні.

Більшість анодів має форму скошених дисків і кріпиться до валу електродвигуна, який обертає їх на відносно високих швидкостях під час випускання рентгенівських променів. Мета обертання - відведення тепла.

фокальна пляма

В генерації рентгенівського випромінювання бере участь не весь анод. Воно виникає на невеликій ділянці його поверхні - фокальному плямі. Розміри останнього визначаються розмірами електронного пучка, що надходить з катода. У більшості пристроїв воно має прямокутну форму і варіюється в межах 0,1-2 мм.

Рентгенівські трубки проектують з певним розміром фокальної плями. Чим воно менше, тим менше розмитість і вище чіткість зображення, і чим воно більше, тим краще відводиться тепло.

Розмір фокусної плями є одним з факторів, який необхідно враховувати, коли вибирають рентгенівські трубки. Виробники випускають прилади з малими фокальними плямами, коли необхідно досягти високої роздільної здатності і досить невеликий радіації. Наприклад, це потрібно при дослідженні малих і тонких частин тіла, як в мамографії.

Рентгенівські трубки в основному виробляють з фокусними плямами двох розмірів - великим і малим, які можуть бути обрані оператором відповідно до процедури формування зображення.

катод

Основна функція катода - генерувати електрони і збирати їх в промінь, спрямований на анод. Як правило, він складається з невеликої дротяної спіралі (нитки), зануреної в чашеобразное поглиблення.

Електрони, що проходять по ланцюгу, як правило, не можуть покинути провідник і піти у вільний простір. Однак вони можуть це зробити, якщо отримають достатню кількість енергії. В процесі, відомому як термоеміссія, для вигнання електронів з катода використовується тепло. Це стає можливим, коли тиск в відкачаної рентгенівської трубці досягає 10^-6-10^-7 мм рт. ст. Нитка нагрівається таким же чином, як спіраль лампи розжарювання при пропущенні через неї струму. Робота рентгенівської трубки супроводжується нагріванням катода до температури світіння з витісненням тепловою енергією з нього частини електронів.

Відео: Рентген. Популярна наука з Анною Урманцева.

балон

Анод і катод містяться в герметичному корпусі - балоні. Балон і його вміст часто називають вставкою, яка має обмежений термін служби і може замінюватися. Рентгенівські трубки в основному мають скляні колби, хоча для деяких застосувань використовуються металеві та керамічні балони.

Основною функцією балона є забезпечення підтримки та ізоляція анода і катода, і підтримання вакууму. Тиск в відкачаної рентгенівської трубці при 15 ° C становить 1,2·-10^-3 Па. Наявність газів в балоні дозволило б електрики текти через прилад вільно, а не тільки у вигляді електронного пучка.

корпус

Пристрій рентгенівської трубки таке, що, на додаток до огорожі і підтримки інших компонентів, її корпус служить щитом і поглинає випромінювання, за винятком проходить через вікно корисного пучка. Його відносно велика зовнішня поверхня розсіює більшу частину тепла, що утворюється всередині пристрою. Простір між корпусом і вставкою заповнене олією, що забезпечує ізоляцію і її охолодження.

ланцюг

Електричне коло з`єднує трубку з джерелом енергії, який називається генератором. Джерело отримує харчування від мережі і перетворює змінний струм в постійний. Генератор також дозволяє регулювати деякі параметри ланцюга:

Відео: Схема рентгенівської трубки. Ряд конкретних конструкцій трубок

KV - напруга або електричний потенціал;
MA - струм, який тече через трубку;
S - тривалість або час експозиції, в частках секунди.

Ланцюг забезпечує рух електронів. Вони заряджаються енергією, проходячи через генератор, і віддають її анода. У міру їх руху відбувається два перетворення:

потенційна електрична енергія перетворюється в кінетичну;
кінетична, в свою чергу, перетворюється в рентгенівське випромінювання і тепло.

потенціал

Коли електрони надходять в колбу, вони мають потенційну електричною енергією, кількість якої визначається напругою KV між анодом і катодом. Рентгенівська трубка працює під напругою, для створення 1 KV якого кожна частка повинна володіти 1 кеВ. Регулюючи KV, оператор наділяє кожен електрон певною кількістю енергії.

кінетика

Низький тиск в відкачаної рентгенівській трубці (при 15 ° C воно становить 10^-6-10^-7 мм рт. ст.) дозволяє частинкам під дією термоелектронної емісії і електричної сили вилітати з катода до анода. Ця сила прискорює їх, що призводить до збільшення швидкості і кінетичної енергії і зменшенням потенційної. Коли частка потрапляє на анод, її потенціал втрачається, і вся її енергія переходить в кінетичну. 100-кеВ електрон досягає швидкості, що перевищує половини швидкості світла. Вдаряючись об поверхню, частки дуже швидко сповільнюються і втрачають свою кінетичну енергію. Вона перетворюється в рентгенівське випромінювання або тепло.

Електрони вступають в контакт з окремими атомами матеріалу анода. Випромінювання генерується при їх взаємодії з орбиталями (рентгенівські фотони) і з ядром (гальмівне випромінювання).

енергія зв`язку

Кожен електрон всередині атома має певною енергією зв`язку, яка залежить від розміру останнього і рівня, на якому знаходиться частинка. Енергія зв`язку відіграє важливу роль в генерації характеристичного рентгенівського випромінювання і необхідна для видалення електрона з атома.

гальмівне випромінювання

Гальмівне випромінювання виробляє найбільшу кількість фотонів. Електрони, що проникають в матеріал анода і проходять поблизу ядра, відхиляються і сповільнюються силою тяжіння атома. Їх енергія, що втрачається під час цієї зустрічі, з`являється у вигляді рентгенівського фотона.

Відео: рентгенівська трубка

спектр

Лише деякі фотони володіють енергією, близькою до енергії електронів. У більшості з них вона нижче. Припустимо, що існує простір, або поле, що оточує ядро, в якому електрони відчувають силу «гальмування». Це поле може бути розділене на зони. Це дає полю ядра вид мішені з атомом в центрі. Електрон, що потрапляє в будь-яку точку мішені, відчуває гальмування і генерує рентгенівський фотон. Частинки, які потрапляють найближче до центру, піддаються найбільшому впливу і, отже, втрачають найбільше енергії, виробляючи самі високоенергійні фотони. Електрони, що потрапляють в зовнішні зони, відчувають більш слабкі взаємодії і генерують кванти з більш низькою енергією. Хоча зони мають однакову ширину, що вони мають різну площу, залежить від відстані до ядра. Так як число частинок, що потрапляють на дану зону, залежить від її загальної площі, то очевидно, що зовнішні зони захоплюють більше електронів і створюють більше фотонів. За цією моделлю можна передбачити енергетичний спектр рентгенівського випромінювання.

E_max фотонів основного спектру гальмівного випромінювання відповідає E_maxелектронів. Нижче цієї точки, зі зменшенням енергії квантів їх число зростає.

Значне число фотонів з малими енергіями поглинається або фільтрується, оскільки вони намагаються пройти через поверхню анода, вікно трубки або фільтр. Фільтрація, як правило, залежить від складу і товщини матеріалу, через який проходить промінь, що і визначає кінцевий вигляд низькоенергетичної кривої спектру.

вплив KV

Високоенергетичну частина спектра визначає напругу в рентгенівських трубках kV (кіловольт). Це відбувається тому, що воно обумовлює енергію електронів, що досягають анода, а фотони не можуть володіти потенціалом, великим ніж цей. Під якою напругою працює рентгенівська трубка? Максимальна енергія фотона відповідає максимальному прикладеному потенціалу. Ця напруга може змінюватися під час експозиції через змінного струму мережі. В цьому випадку E_max фотона визначається піковим напругою періоду коливань KV_p.

Відео: трубка 0.4БСВ6 (Мо) пробний запуск

Крім потенціалу квантів, KV_p визначає кількість радіації, створюваної даними числом електронів, що потрапляють на анод. Так як загальна ефективність гальмівного випромінювання збільшується за рахунок зростання енергії бомбардують електронів, яка визначається KV_p, то це означає, що KV_p впливає на ККД приладу.

зміна KV_p, як правило, змінює спектр. Загальна площа під кривою енергій являє собою число фотонів. Без фільтра спектр являє собою трикутник, а кількість радіації пропорційно квадрату KV. При наявності фільтра збільшення KV також збільшує проникнення фотонів, що знижує відсоток фільтрованої випромінювання. Це веде до збільшення радіаційного виходу.

характеристичне випромінювання

Тип взаємодії, який виробляє характеристичне випромінювання, включає зіткнення високошвидкісних електронів з орбітальними. Взаємодія може відбуватися тільки тоді, коли входить частка має Е_до більшої, ніж енергія зв`язку в атомі. Коли ця умова дотримана, і відбувається зіткнення, електрон вибивається. При цьому залишається вакансія, що заповнюється часткою більш високого енергетичного рівня. У міру руху електрон віддає енергію, що випромінюється у вигляді рентгенівського кванта. Це називається характеристичним випромінюванням, так як E фотона є характеристикою хімічного елемента, з якого зроблений анод. Наприклад, коли вибивається електрон К-рівня вольфраму з Е_{зв`язку}= 69,5 кеВ, вакансія заповнюється електроном з L-рівня з E_{зв`язку}= 10,2 кеВ. Характеристичний рентгенівський фотон має енергію, що дорівнює різниці між цими двома рівнями, або 59,3 кеВ.

Насправді, даний матеріал анода призводить до появи ряду характеристичних енергій рентгенівського випромінювання. Це відбувається тому, що електрони на різних енергетичних рівнях (K, L і т.д.) можуть бути вибиті бомбардують частинками, а вакансії можуть бути заповнені з різних енергетичних рівнів. Незважаючи на те що заповнення вакансій L-рівня генерує фотони, їх енергії занадто малі для використання в діагностичній візуалізації. Кожній характеристичної енергії дається позначення, яке вказує на орбіталь, в якій утворилася вакансія, з індексом, який показує джерело заповнення електрона. Індекс альфа (&alpha-) позначає заповнення електрона з L-рівня, а бета (&beta-) вказує на заповнення з рівня М або N.

Спектр вольфраму. Характеристичне випромінювання цього металу виробляє лінійний спектр, що складається з декількох дискретних енергій, а гальмівний створює неперервний розподіл. Число фотонів, створених кожної характеристичної енергією, відрізняється тим, що ймовірність заповнення вакансії K-рівня залежить від орбіталі.
Спектр молібдену. Аноди з даного металу, використовувані для мамографії, виробляють дві досить інтенсивні характеристичні енергії рентгенівського випромінювання: K-альфа при 17,9 кеВ, і K-бета при 19,5 кеВ. Оптимальний спектр рентгенівських трубок, що дозволяє досягти найкращий баланс між контрастністю і дозою опромінення для грудей середнього розміру, досягається при Е_ф= 20 кеВ. Однак гальмівне випромінювання проводиться великими енергіями. В обладнанні для мамографії для видалення небажаної частині спектра використовується молібденовий фільтр. Фільтр працює за принципом «K-краю». Він поглинає випромінювання, що перевищує енергію зв`язку електронів на К-рівні атома молібдену.
Спектр родію. Родій має атомний номер 45, а молібден - 42. Тому характеристичне рентгенівське випромінювання родієвого анода матиме трохи більшу енергію, ніж у молібдену, і більш проникаючу. Це використовується для отримання зображень щільною грудей.

Аноди з подвійними ділянками поверхні, молібден-родієвого, дають можливість оператору вибрати розподіл, оптимізоване під молочні залози різного розміру і щільності.

Вплив KV на спектр

Значення KV сильно впливає на характеристичне випромінювання, т. К. Воно не буде виконуватися, якщо KV менше енергії електронів K-рівня. Коли KV перевищує це порогове значення, кількість випромінювання, як правило, пропорційно різниці KV трубки і порогового KV.

Спектр енергій фотонів рентгенівського променя, що виходить з приладу, визначається декількома факторами. Як правило, він складається з квантів гальмівного і характеристичного взаємодії.

Відносний склад спектра залежить від матеріалу анода, KV і фільтра. У трубці з вольфрамовим анодом характеристичне випромінювання не утворюється при KVlt; 69,5 кеВ. При більш високих значеннях КВ, використовуваних в діагностичних дослідженнях, характеристичне випромінювання збільшує сумарну радіацію до 25%. У молібденових пристроях воно може скласти більшу частину загального обсягу генерації.

ККД

Лише невелика частина енергії, що доставляється електронами, перетворюється в радіацію. Основна частка поглинається і перетворюється в тепло. ККД випромінювання визначається як частка повної випромінюваної енергії від загальної електричної, повідомляється анода. Факторами, які визначають ККД рентгенівської трубки, є прикладена напруга KV і атомний номер Z. Зразкове ставлення наступне:

ККД = KV х Z х 10^-6.

Взаємозв`язок між ефективністю і KV надає специфічне вплив на практичне використання рентгенівського обладнання. Через виділення тепла трубки мають певну межу по кількості електричної енергії, яку вони можуть розсіювати. Це накладає обмеження на потужність приладу. Зі збільшенням KV, однак, кількість радіації, вироблене на одиницю тепла, значно збільшується.

Залежність коефіцієнта корисної дії генерації рентгенівського випромінювання від складу анода представляє лише академічний інтерес, оскільки в більшості пристроїв використовується вольфрам. Винятком є молібден і родій, використовувані в мамографії. ККД цих приладів значно нижче вольфрамових через їх більш низького атомного номера.

ефективність

Ефективність рентгенівської трубки визначається як кількість опромінення в миллирентгенах, доставленого в точку в центрі корисного пучка на відстані 1 м від фокусної плями на кожен 1 мАс електронів, що проходять через прилад. Її значення висловлює здатність приладу перетворювати енергію заряджених частинок в рентгенівське випромінювання. Дозволяє визначити експозицію пацієнта і знімка. Як і ККД, ефективність пристрою залежить від ряду факторів, у тому числі KV, форми хвилі напруги, матеріалу анода і ступеня пошкодження його поверхні, фільтра і часу використання приладу.

KV-управління

Напруга KV ефективно управляє вихідним випромінюванням рентгенівської трубки. Як правило, передбачається, що вихід пропорційний квадрату KV. Подвоєння KV збільшує експозицію в 4 рази.

форма хвилі

Форма хвилі описує спосіб, за допомогою якого KV змінюється з часом в процесі генерації радіації через циклічну природи електроживлення. Використовується кілька різних форм хвиль. Загальний принцип такий: чим менше змінюється форма KV, тим ефективніше проводиться рентгенівське випромінювання. У сучасному обладнанні використовують генератори з відносно постійним KV.

Рентгенівські трубки: виробники

Компанія Oxford Instruments випускає різні пристрої, включаючи скляні потужністю до 250 Вт, потенціалом 4-80 кВ, фокальним плямою до 10 мікрон і широким діапазоном матеріалів анода, в т. Ч. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian пропонує більш 400 різних типів медичних і промислових рентгенівських трубок. Іншими відомими виробниками є Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong і ін.

У Росії випускаються рентгенівські трубки «Світлана-Рентген». Крім традиційних приладів з обертовим і стаціонарним анодом, підприємство виготовляє пристрої з холодним катодом, керованим світловим потоком. Переваги приладу наступні: