Как функционират рентгеновите тръби?

Рентгеновото излъчване се създава чрез превръщането на енергията на електроните във фотони, което се случва в рентгенова тръба. Количеството (експозицията) и качеството (спектъра) на радиацията могат да се регулират чрез промяна на тока, напрежението и времето на работа на инструмента.

Принцип на действие

Рентгеновите тръби (снимката е дадена в статията) са енергийни преобразуватели. Те го получават от мрежата и я превръщат в други форми - проникваща радиация и топлина, докато последната е нежелан страничен продукт. Устройството за рентгенови тръби е такова, че максимизира производството на фотони и разсейва топлината възможно най-бързо.

Тръбата е относително просто устройство, обикновено съдържащо два основни елемента - катода и анода. Когато токът тече от катода до анода, електроните губят енергия, което води до генерирането на рентгенови лъчи.

анод

Анодът е компонент, в който се отделят високоенергийни фотони. Това е относително масивен метален елемент, който се свързва с положителния полюс на електрическата верига. Изпълнява две основни функции:

• превръща енергията на електроните в рентгенови лъчи,
• разсейва топлината.

Материалът за анода е избран да подобри тези функции.

В идеалния случай повечето електрони трябва да образуват високоенергийни фотони, а не топлина. Делът на общата им енергия, която се превръща в рентгеново лъчение, (ЕФЕКТИВНОСТ) зависи от два фактора:

• атомното число (Z) на анодния материал,
• енергията на електроните.

В повечето рентгенови тръби се използва волфрам като аноден материал, чийто атомен номер е 74. В допълнение към големия Z този метал има някои други характеристики, които го правят подходящ за тази цел. Волфрамът е уникален в способността си да поддържа силата си при нагряване, има висока точка на топене и ниска степен на изпарение.

В продължение на много години анодът е направен от чист волфрам. През последните години започнахме да използваме сплав от този метал с рений, но само на повърхността. Самият анод под покритието с волфрам-рений е направен от лек материал, който натрупва добре топлина. Две такива вещества са молибден и графит.

Рентгеновите тръби, използвани за мамография, са направени с анод, покрит с молибден. Този материал има междинен атомен номер (Z = 42), който генерира характерни фотони с енергии, които са удобни за стрелба на гърдата. Някои инструменти за мамография имат и втори анод, направен от родий (Z = 45). Това ви позволява да увеличите енергията и да постигнете по-голямо проникване за гъстата гръд.

Използването на рений-волфрам сплав подобрява дългосрочния добив на радиация - с времето ефективността на устройствата с анод на чист волфрам намалява поради термично увреждане на повърхността.

Повечето аноди имат формата на скосени дискове и са прикрепени към вала на електрическия мотор, който ги върти при относително високи скорости по време на излъчването на рентгенови лъчи. Целта на въртенето е да се премахне топлината.

Фокусно място

При генерирането на рентгенови лъчи не участва целият анод. Намира се на малка площ от повърхността - фокусно място. Размерите на последните се определят от размерите на електронен лъч, идващ от катода. При повечето устройства тя има правоъгълна форма и варира в диапазона от 0.1-2 mm.

Рентгеновите тръби се проектират с определен размер на фокусното място. Колкото по-малък е, толкова по-малко замъгляване и по-рязко изображението и колкото повече е, толкова по-добре е да се премахне топлината.

Размерът на фокусното място е един от факторите, които трябва да се вземат предвид при избора на рентгенови тръби. Производителите произвеждат устройства с малки фокусни точки, когато е необходимо да се постигне висока резолюция и достатъчно малка радиация. Например, тя се изисква при изучаване на малки и тънки части на тялото, както при мамографията.

Рентгеновите тръби се произвеждат главно с фокални места с два размера - големи и малки, които могат да бъдат избрани от оператора в съответствие с процедурата за формиране на образ.

катод

Основната функция на катода е да генерира електрони и да ги събира в лъч, насочен към анода. Като правило тя се състои от малка жична спирала (нажежаема жичка), потопена в чаша с форма на депресия.

Електроните, които преминават през схемата обикновено не могат да напуснат проводника и да отидат в свободно пространство. Те обаче могат да направят това, ако получат достатъчно енергия. В процеса, известен като термионно излъчване, се използва топлина за изтласкване на електрони от катода. Това става възможно, когато налягането в евакуираната рентгенова тръба достигне 10^-6-10^-7 mm Hg. Чл. Нажежаемата жичка се нагрява по същия начин като нажежаемата жичка на нажежаемата лампа, когато токът преминава през нея. Работата на рентгеновата тръба се придружава от загряване на катода до луминисценционната температура с изместването на част от електроните от топлинната енергия от него.

балон

Анодът и катодът се съдържат в запечатан корпус. Балонът и неговото съдържание често се наричат ​​вложка, която има ограничен живот и може да бъде заменена. Рентгеновите тръби имат главно стъклени крушки, въпреки че за някои приложения се използват метални и керамични цилиндри.

Основната функция на бутилката е да осигури подпора и изолация анод и катод, и поддържане на вакуум. Налягането в евакуираната рентгенова тръба при 15 ° С е 1,2 mddot-10^-3 Pa. Наличието на газове в цилиндъра би позволило електричеството да протича свободно през устройството, а не само под формата на електронен лъч.

жилище

Устройството за рентгенови тръби е такова, че в допълнение към предпазването и поддържането на други компоненти, корпусът му служи като щит и поглъща лъчение, с изключение на полезен лъч, преминаващ през прозореца. Неговата сравнително голяма външна повърхност разсейва голяма част от топлината, генерирана вътре в устройството. Пространството между тялото и вложката е изпълнено с масло, което осигурява изолация и охлаждане.

верига

Електрическата верига свързва тръбата с източник на енергия, който се нарича генератор. Източникът получава енергия от мрежата и преобразува променливия ток в постоянна. Генераторът ви позволява също така да настроите някои параметри на схемата:

• KV - напрежение или електрически потенциал;
• МА е токът, който протича през тръбата;
• S - продължителност или време на експозиция, за части от секундата.

Веригата осигурява движението на електрони. Те се зареждат с енергия, преминават през генератора и го дават на анода. Докато се движат, има две промени:

• потенциалната електрическа енергия се превръща в кинетична енергия;
• Кинетичният, от своя страна, се трансформира в рентгеново лъчение и топлина.

потенциал

Когато електроните влязат в колбата, те имат потенциална електрическа енергия, чието количество се определя от напрежението KV между анода и катода. Рентгеновата тръба работи под напрежение, за да създаде 1 KV, от които всяка частица трябва да има 1 keV. Чрез регулирането на KV, операторът присвоява на всеки един елемент количество енергия.

кинетика

Ниско налягане в евакуираната рентгенова тръба (при 15 ° C е 10^-6-10^-7 mm Hg. ) позволява на частиците под действието на термионно излъчване и електрическа сила да летят от катода до анода. Тази сила ги ускорява, което води до увеличаване на скоростта и кинетичната енергия и намаляване на потенциалната енергия. Когато една частица удари анода, нейният потенциал се загуби и цялата му енергия отива към кинетичната енергия. 100-keV електрон достига скорост, по-голяма от половината скоростта на светлината. Натискайки повърхността, частиците бързо се забавят и губят кинетичната си енергия. Тя се превръща в рентгенови лъчи или топлина.

Електроните влизат в контакт с отделните атоми на анодния материал. Радиацията се генерира, когато взаимодействат с орбиталите (рентгенови фотони) и с ядрото (bremsstrahlung).

Силата на комуникацията

Всеки електрон в атома има определена свързваща енергия, която зависи от размера на последния и от нивото, на което се намира частицата. Свързващата енергия играе важна роля в генерирането на характерна рентгенова радиация и е необходима за отстраняване на електрона от атома.

стационарно облъчване

Спирачното лъчение произвежда най-голям брой фотони. Електроните, които проникват в анодния материал и преминават близо до ядрото, се отклоняват и забавят със силата на привличане на атома. Тяхната енергия, изгубена по време на тази среща, се появява под формата на рентгенов фотон.

диапазон на

Само няколко фотони имат енергия, близка до енергията на електроните. Повечето от тях са по-ниски. Да предположим, че има пространство или поле, заобикалящо ядрото, в което електроните изпитват силата на "инхибиране". Това поле може да бъде разделено на зони. Това дава на полето на ядрото формата на целта с атом в центъра. Електрон, който удря всяка точка на мишената, претърпява забавяне и генерира рентгенов фотон. Частиците, които са най-близо до центъра, са изложени на най-голямо въздействие и поради това губят най-много енергия, като произвеждат най-високоенергийните фотони. Електроните, влизащи във външните зони, изпитват повече слаби взаимодействия и квантите с ниска енергия се генерират. Въпреки че зоните имат еднаква ширина, те имат различна площ, в зависимост от разстоянието до ядрото. Тъй като броят на частиците, попадащи в дадена зона, зависи от общата й площ, очевидно е, че външните зони улавят повече електрони и създават повече фотони. Според този модел е възможно да се предскаже енергийният спектър на рентгеновото излъчване.

E_макс фотоните на основния спектър на bremsstrahlung съответстват на Е_макс електрони. Под тази точка, с намаляване на енергията на квантите, броят им се увеличава.

Значителен брой фотони с ниска енергия се абсорбират или филтрират, тъй като се опитват да преминат през повърхността на анода, прозореца на тръбата или филтъра. Филтрирането обикновено зависи от състава и дебелината на материала, през който минава лъчът, което определя крайната форма на нискоенергийната крива на спектъра.

Ефект на KV

Високоенергийната част на спектъра определя напрежението в рентгеновите тръби kV (киловолт). Това е така, защото определя енергията на електроните, достигащи до анода, и фотоните не могат да имат потенциал по-голям от този. Под какво напрежение работи рентгеновата тръба? Максималната енергия на фотона съответства на максимално приложения потенциал. Това напрежение може да варира по време на експозицията, дължащо се на променливотоковия ток. В този случай Е_макс фотонът се определя от пиковото напрежение на периода на колебание KV_р.

В допълнение към потенциала на квантите, KV_р определя количеството радиация, произведено от определен брой електрони, попадащи върху анода. Тъй като общата ефективност на bremsstrahlung се увеличава поради нарастването на енергията на бомбардиращите електрони, което се определя от KV_р, след това следва, че KV_р влияе върху ефективността на устройството.

Промяна KV_р, като правило, променя спектъра. Общата площ под енергийната крива е броят на фотоните. Без филтър спектърът е триъгълник, а количеството радиация е пропорционално на квадрата на KV. При наличието на филтър увеличаването на KV също увеличава проникването на фотони, което намалява процента на филтрираното лъчение. Това води до увеличаване на радиационния добив.

Характерно лъчение

Типът взаимодействие, който произвежда характерна радиация, включва сблъсък на високоскоростни електрони с орбитални. Взаимодействието може да възникне само когато входящата частица има Е_за по-голяма от свързващата енергия в атома. Когато това условие е изпълнено и възникне сблъсък, електронът се изхвърля. Това оставя празно място, изпълнено с частица с по-високо енергийно ниво. Тъй като движението се движи, електронът излъчва енергията, излъчена под формата на рентгенова квантова. Това се нарича характерно излъчване, тъй като Е-фотонът е характеристика на химическия елемент, от който се прави анодът. Например, когато един електронен от К-нивото на волфрам е изхвърлен с Е_{общуване}= 69.5 keV, свободното място се запълва с електронен от L-ниво с Е_{общуване}= 10,2 keV. Характерният рентгенов фотон има енергия, равна на разликата между тези две нива или 59,3 keV.

Всъщност този аноден материал води до появата на редица характерни рентгенови лъчи. Това е така, защото електрони при различни енергийни нива (K, L и т.н.) могат да бъдат отстранени чрез бомбардиране на частици и свободните работни места могат да бъдат запълнени от различни енергийни нива. Въпреки че попълването на свободните места на ниво L генерира фотони, тяхната енергия е твърде малка, за да се използва при диагностични изображения. На всяка характерна енергия се дава обозначение, което показва орбитата, в която се е образувало свободното място, с индекс, който показва източника на електронен пълнеж. Алфа индексът (алфа-) показва пълненето на електрона от L-ниво, а бета (бета-) показва пълненето от нивото на М или N.

• Спектър на волфрам. Характерното лъчение на този метал произвежда линеен спектър, състоящ се от няколко дискретни енергии, а bremsstrahlung създава непрекъснато разпределение. Броят на фотоните, създадени от всяка характерна енергия, се различава по това, че вероятността за запълване на вакантно място на ниво К зависи от орбита.
• Спектърът на молибден. Анодите от този метал, използвани за мамография, произвеждат две доста интензивни характерни рентгенови енергии: К-алфа при 17,9 keV и К-бета при 19,5 keV. Оптимален диапазон от рентгенови тръби, позволяващ постигането на най-добър баланс между контраста и доза радиация за средно големи гърди се постига с Е_е= 20 keV. Въпреки това, bremsstrahlung се произвежда от високи енергии. В мамографското оборудване се използва молибден филтър за отстраняване на нежеланата част от спектъра. Филтърът работи в съответствие с принципа К-край. Той поглъща радиация, която надвишава енергията на свързване на електроните при К-нивото на амониевия молибден.
• Спектърът на родий. Родий има атомно число 45 и молибден има 42. Затова характеристичното рентгеново лъчение на родиевия анод ще има малко по-висока енергия от тази на молибден и по-проникващо. Това се използва за получаване на изображения на гъста гърда.

Анодите с двойна повърхност, молибден-родий, позволяват на оператора да избере дистрибуция, оптимизирана за млечни жлези с различна големина и плътност.

Влияние на KV върху спектъра

Стойността на KV силно влияе върху характерната радиация, тъй като тя няма да бъде произведена, ако KV е по-малко от енергията на електроните на нивото К. Когато KV превишава този праг, количеството радиация обикновено е пропорционално на разликата между KV тръбата и прага KV.

Енергийният спектър на рентгеновите фотони, излъчвани от инструмента, се определя от няколко фактора. Като правило тя се състои от кванти на браусваллунг и характерното взаимодействие.

Относителният състав на спектъра зависи от материала на анода, KV и филтъра. В тръба с волфрамов анод, при KV не се образува характерно излъчване< 69,5 keV. При по-високи стойности на CV, използвани в диагностичните изследвания, характерното лъчение увеличава общото лъчение до 25%. При молибденовите устройства тя може да се използва за по-голямата част от общото поколение.

производителност

Само малка част от енергията, доставяна от електроните, се превръща в радиация. Основната част се абсорбира и се превръща в топлина. Радиационната ефективност се дефинира като част от общата излъчена енергия от общия електрически ток, докладван за анода. Факторите, които определят ефективността на рентгеновата тръба, са приложеното напрежение KV и атомният номер Z. Приблизителното съотношение е както следва:

• Ефективност = KV x Z x 10^-6.

Връзката между ефективността и KV има специфичен ефект върху практическото използване на рентгеново оборудване. Поради генерирането на топлина тръбите имат определена граница по отношение на количеството електрическа енергия, която могат да се разсеят. Това налага ограничаване на мощността на устройството. С увеличаването на KV, обаче, количеството радиация, произведено на единица топлина, значително се увеличава.

Зависимостта от ефективността на генерирането на рентгенови лъчи върху анодния състав е от само академичен интерес, тъй като повечето устройства използват волфрам. Изключения са молибден и родий, използвани в мамографията. Ефективността на тези устройства е много по-ниска от тази на волфрам, поради по-ниското им атомно число.

ефикасност

Ефективността на рентгеновата тръба се определя като количеството на облъчване в милилитра, доставяно до точка в центъра на полезния лъч на разстояние 1 m от фокусното място за всеки 1 mA от електроните, преминаващи през инструмента. Неговата стойност изразява способността на устройството да преобразува енергията на заредените частици в рентгенови лъчи. Позволява ви да определите излагането на пациента и картината. Подобно на ефективността, ефективността на устройството зависи от редица фактори, включително KV, напрежението на вълната, анодния материал и степента на повреда на повърхността му, филтъра и времето на използване на устройството.

KV контрол

Напрежението KV ефективно контролира излъчването на рентгеновата тръба. Като правило се приема, че продукцията е пропорционална на квадрата на KV. Удвояването на KV увеличава експозицията с 4 пъти.

форма на вълната

Формата на вълната описва начина, по който KV варира с течение на времето в процеса на генериране на лъчение, дължащо се на цикличния характер на захранването. Използват се няколко различни формата на вълните. Основният принцип е, че колкото по-малка е формата на KV, толкова по-ефективно е рентгеновото излъчване. В модерното оборудване се използват генератори с относително постоянно КВ.

Рентгенови тръби: производители

Oxford Instruments Company произвежда различни устройства, включително стъкло, енергия 250 W, потенциал 4-80 кВ, на фокална точка 10 микрона и широка гама от анодни материали, т. Н. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian предлага повече от 400 различни вида медицински и промишлени рентгенови тръби. Други известни производители са Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong и др.

В Русия се произвеждат рентгенови тръби "Светлана-Рентген". В допълнение към традиционните устройства с въртящ се и неподвижен анод, компанията произвежда устройства със студен катод, контролирани от светлинен поток. Предимствата на устройството са:

• работа в непрекъснати и импулсни режими;
• отсъствие на инертност;
• регулиране на текущия интензитет на светодиода;
• чистота на спектъра;
• възможността за получаване на рентгенови лъчи с различна интензивност.