Как работят рентгеновите тръби?

2024 Автор: Curtis Blomfield | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-15 09:32

Рентгеновите лъчи се създават чрез преобразуване на енергията на електроните във фотони, което се извършва в рентгенова тръба. Количеството (експозиция) и качеството (спектър) на радиацията могат да се регулират чрез промяна на тока, напрежението и времето на работа на устройството.

Принцип на работа

Рентгеновите тръби (снимката е дадена в статията) са преобразуватели на енергия. Те го вземат от мрежата и го превръщат в други форми - проникваща радиация и топлина, като последната е нежелан страничен продукт. Дизайнът на рентгеновата тръба е такъв, че увеличава максимално производството на фотони и разсейва топлината възможно най-бързо.

Тръбата е сравнително просто устройство, обикновено съдържащо два основни елемента - катод и анод. Когато токът протича от катода към анода, електроните губят енергия, което води до генериране на рентгенови лъчи.

Анод

Анодът е компонентът, който излъчвафотони с висока енергия. Това е сравнително масивен метален елемент, който е свързан към положителния полюс на електрическата верига. Изпълнява две основни функции:

преобразува енергията на електроните в рентгенови лъчи,
разсейва топлината.

Анодният материал е избран за подобряване на тези функции.

В идеалния случай повечето от електроните трябва да образуват високоенергийни фотони, а не топлина. Частта от тяхната обща енергия, която се превръща в рентгенови лъчи (ефективност), зависи от два фактора:

атомен номер (Z) на анодния материал,
енергия на електроните.

Повечето рентгенови тръби използват волфрам като аноден материал, който има атомен номер 74. Освен че има голямо Z, този метал има някои други характеристики, които го правят подходящ за тази цел. Волфрамът е уникален със способността си да запазва здравината при нагряване, има висока точка на топене и ниска скорост на изпаряване.

В продължение на много години анодът беше направен от чист волфрам. През последните години започна да се използва сплав от този метал с рений, но само на повърхността. Самият анод под волфрам-рениевото покритие е изработен от лек материал, който съхранява добре топлината. Две такива вещества са молибден и графит.

Рентгеновите тръби, използвани за мамография, са направени с анод с молибденово покритие. Този материал има междинен атомен номер (Z=42), който генерира характерни фотони с енергии, удобни заза снимане на гърдите. Някои мамографски апарати имат и втори анод, изработен от родий (Z=45). Това ви позволява да увеличите енергията и да постигнете по-голямо проникване за стегнати гърди.

Използването на сплав рений-волфрам подобрява дългосрочното излъчване - с течение на времето ефективността на устройствата с чист волфрамов анод намалява поради термично увреждане на повърхността.

Повечето аноди са оформени като скосени дискове и са прикрепени към вал на електродвигателя, който ги върти с относително високи скорости, докато излъчват рентгенови лъчи. Целта на въртенето е да отстрани топлината.

Фокално място

Не целият анод участва в генерирането на рентгенови лъчи. Среща се на малка площ от повърхността му - фокусно петно. Размерите на последния се определят от размерите на електронния лъч, идващ от катода. В повечето устройства той има правоъгълна форма и варира между 0,1-2 мм.

Рентгеновите тръби са проектирани със специфичен размер на фокусното петно. Колкото по-малък е, толкова по-малко замъгляване и по-рязко е изображението и колкото по-голямо е то, толкова по-добро е разсейването на топлината.

Размерът на фокалното петно е един от факторите, които трябва да имате предвид при избора на рентгенови тръби. Производителите произвеждат устройства с малки фокусни петна, когато е необходимо да се постигне висока разделителна способност и достатъчно ниско излъчване. Например, това се изисква при изследване на малки и тънки части на тялото, както при мамография.

Рентгеновите тръби се произвеждат основно с два размера на фокусното петно, голям и малък, които могат да бъдат избрани от оператора според процедурата за изобразяване.

Катод

Основната функция на катода е да генерира електрони и да ги събира в лъч, насочен към анода. По правило се състои от малка телена спирала (нишка), потопена във вдлъбнатина с форма на чаша.

Електроните, преминаващи през веригата, обикновено не могат да напуснат проводника и да отидат в свободното пространство. Те обаче могат да го направят, ако получат достатъчно енергия. В процес, известен като топлинна емисия, топлината се използва за изхвърляне на електрони от катода. Това става възможно, когато налягането в евакуираната рентгенова тръба достигне 10^-6–10^{-7 mmHg. Изкуство. Нажежаемата жичка се нагрява по същия начин като нишката на лампа с нажежаема жичка, когато през нея преминава ток. Работата на рентгеновата тръба се придружава от нагряване на катода до температурата на нагряване с изместване на част от електроните от него с топлинна енергия.}

Балон

Анодът и катодът се съдържат в херметически затворен контейнер. Балонът и съдържанието му често се наричат вложка, която има ограничен живот и може да бъде заменена. Рентгеновите тръби имат предимно стъклени крушки, въпреки че метални и керамични крушки се използват за някои приложения.

Основната функция на балона е да осигури опора и изолация на анода и катода и да поддържа вакуум. Налягане в евакуираната рентгенова тръбапри 15°C е 1,2 10-3 Pa. Наличието на газове в балона би позволило на електричеството да тече свободно през устройството, а не само под формата на електронен лъч.

Калъф

Дизайнът на рентгеновата тръба е такъв, че освен че обхваща и поддържа други компоненти, тялото й служи като щит и поглъща радиацията, с изключение на полезния лъч, преминаващ през прозореца. Сравнително голямата му външна повърхност разсейва голяма част от топлината, генерирана вътре в устройството. Пространството между тялото и вложката е запълнено с масло за изолация и охлаждане.

верига

Електрическа верига свързва тръбата с източник на енергия, наречен генератор. Източникът получава енергия от електрическата мрежа и преобразува променлив ток в постоянен. Генераторът също така ви позволява да регулирате някои параметри на веригата:

KV - напрежение или електрически потенциал;
MA е токът, който протича през тръбата;
S – продължителност или време на експозиция, в части от секундата.

Веригата осигурява движението на електроните. Те се зареждат с енергия, преминавайки през генератора, и я предават на анода. Докато се движат, възникват две трансформации:

потенциалната електрическа енергия се преобразува в кинетична енергия;
кинетичното от своя страна се превръща в рентгенови лъчи и топлина.

Потенциал

Когато електроните влизат в крушката, те имат потенциална електрическа енергия, чието количество се определя от напрежението KV между анода и катода. Рентгенова тръба работипод напрежение, за да се създаде 1 KV, от което всяка частица трябва да има 1 keV. Чрез регулиране на KV, операторът надарява всеки електрон с определено количество енергия.

Кинетика

Ниско налягане в евакуираната рентгенова тръба (при 15°C е 10^-6–10^{-7 mmHg.) позволява на частиците да излитат от катода към анода под действието на термионна емисия и електрическа сила. Тази сила ги ускорява, което води до увеличаване на скоростта и кинетичната енергия и намаляване на потенциала. Когато една частица удари анода, нейният потенциал се губи и цялата й енергия се превръща в кинетична енергия. Електрон от 100 keV достига скорост над половината от скоростта на светлината. Удряйки се в повърхността, частиците се забавят много бързо и губят кинетичната си енергия. Превръща се в рентгенови лъчи или топлина.}

Електроните влизат в контакт с отделни атоми на анодния материал. Радиация се генерира, когато те взаимодействат с орбитали (рентгенови фотони) и с ядрото (тормозно лъчение).

Link Energy

Всеки електрон вътре в атома има определена енергия на свързване, която зависи от размера на последния и нивото, на което се намира частицата. Свързващата енергия играе важна роля в генерирането на характерни рентгенови лъчи и е необходима за отстраняване на електрон от атом.

Bremsstrahlung

Спирачното лъчение произвежда най-голям брой фотони. Електроните, проникващи в анодния материал и преминаващи близо до ядрото, се отклоняват и забавятсилата на привличане на атома. Тяхната енергия, загубена по време на тази среща, се появява като рентгенов фотон.

Спектър

Само няколко фотона имат енергия, близка до тази на електроните. Повечето от тях са по-ниски. Нека приемем, че около ядрото има пространство или поле, в което електроните изпитват "спирачна" сила. Това поле може да бъде разделено на зони. Това придава на полето на ядрото вид на мишена с атом в центъра. Електрон, удрящ всяка точка от целта, изпитва забавяне и генерира рентгенов фотон. Частиците, удрящи най-близо до центъра, са най-засегнати и следователно губят най-много енергия, произвеждайки фотони с най-висока енергия. Електроните, влизащи във външните зони, изпитват по-слаби взаимодействия и генерират по-ниски енергийни кванти. Въпреки че зоните имат еднаква ширина, те имат различна площ в зависимост от разстоянието до ядрото. Тъй като броят на частиците, попадащи върху дадена зона, зависи от нейната обща площ, очевидно е, че външните зони улавят повече електрони и създават повече фотони. Този модел може да се използва за прогнозиране на енергийния спектър на рентгеновите лъчи.

E_max фотони от главния спектър на спирачно излъчване съответства на E_{max електрони. Под тази точка, когато енергията на фотоните намалява, техният брой се увеличава.}

Значителен брой фотони с ниска енергия се абсорбират или филтрират, когато се опитват да преминат през анодната повърхност, тръбния прозорец или филтъра. Филтрацията обикновено зависи от състава и дебелината на материала, през койтолъчът преминава през, което определя крайната форма на нискоенергийната крива на спектъра.

рентгеновата тръба работи под напрежение

KV влияние

Високоенергийната част от спектъра се определя от напрежението в рентгеновите тръби kV (киловолт). Това е така, защото той определя енергията на електроните, достигащи до анода, а фотоните не могат да имат потенциал по-висок от този. С какво напрежение работи рентгеновата тръба? Максималната енергия на фотоните съответства на максималния приложен потенциал. Това напрежение може да се промени по време на експозиция поради променлив ток в мрежата. В този случай E_max на фотон се определя от пиковото напрежение на периода на трептене KV_p.

Освен квантовия потенциал, KV_p определя количеството радиация, създадено от даден брой електрони, удрящи анода. Тъй като общата ефективност на спирачното лъчение нараства поради увеличаване на енергията на бомбардиращите електрони, което се определя от KV_p, следва, че KV_{pвлияе върху ефективността на устройството.}

Промяна на KV_{p обикновено променя спектъра. Общата площ под енергийната крива е броят на фотоните. Без филтър спектърът е триъгълник, а количеството излъчване е пропорционално на квадрата на KV. При наличие на филтър, увеличаването на KV също увеличава проникването на фотони, което намалява процента на филтрирана радиация. Това води до увеличаване на излъчването.}

Характерно излъчване

Видът на взаимодействие, което произвежда характеристикатарадиация, включва сблъсък на високоскоростни електрони с орбитални. Взаимодействието може да възникне само когато входящата частица има E_k по-голяма от енергията на свързване в атома. Когато това условие е изпълнено и възникне сблъсък, електронът се изхвърля. В този случай остава празно място, което се запълва от частица с по-високо енергийно ниво. Докато електронът се движи, той отделя енергия, която се излъчва под формата на рентгенов квант. Това се нарича характеристично излъчване, тъй като E на фотона е характеристика на химичния елемент, от който е направен анодът. Например, когато електрон от K-нивото на волфрама с E_връзка=69,5 keV е изключен, вакантното място се запълва от електрон от L-нивото с E _{връзка=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 редица характерни рентгенови енергии. Това е така, защото електроните на различни енергийни нива (K, L и т.н.) могат да бъдат унищожени от бомбардиращи частици и свободните места могат да бъдат запълнени от различни енергийни нива. Въпреки че запълването на свободните места на L-ниво генерира фотони, тяхната енергия е твърде ниска, за да се използва при диагностични изображения. Всяка характерна енергия получава обозначение, което показва орбиталата, в която се е образувала вакантната позиция, с индекс, който показва източника на запълване на електрони. Индексът алфа (α) показва заемането на електрон от L-ниво, а бета (β) показвапопълване от ниво M или N.

Спектър от волфрам. Характерното излъчване на този метал произвежда линеен спектър, състоящ се от няколко дискретни енергии, докато спирачното лъчение създава непрекъснато разпределение. Броят на фотоните, произведени от всяка характеристична енергия, се различава по това, че вероятността за запълване на празно място на K-ниво зависи от орбиталата.

Спектър на молибден. Анодите на този метал, използван за мамография, произвеждат две доста интензивни характерни рентгенови енергии: K-alpha при 17,9 keV и K-beta при 19,5 keV. Оптималният спектър от рентгенови тръби, който позволява да се постигне най-добър баланс между контраст и доза радиация за средни гърди, се постига при E_{ph=20 keV. Въпреки това, спирачното лъчение се произвежда при високи енергии. Мамографското оборудване използва молибденов филтър за премахване на нежеланата част от спектъра. Филтърът работи на принципа "K-edge". Той абсорбира радиация, надвишаваща енергията на свързване на електроните на ниво K на молибденовия атом.}
Спектър от родий. Родият има атомен номер 45, докато молибденът има атомен номер 42. Следователно, характерното рентгеново излъчване на родиевия анод ще има малко по-висока енергия от тази на молибдена и е по-проникващо. Това се използва за изобразяване на плътни гърди.

Молибден-родиеви аноди с двойна повърхност позволяват на оператора да избере разпределение, оптимизирано за различни размери и плътност на гърдите.

На какво напрежение работи рентгеновата снимка?тръба

Ефект на KV върху спектъра

Стойността на KV силно влияе на характеристичното излъчване, тъй като то няма да бъде произведено, ако KV е по-малко от енергията на електроните на ниво K. Когато KV надвиши този праг, количеството радиация обикновено е пропорционално на разликата между тръбната KV и прага KV.

Енергийният спектър на рентгеновите фотони, излизащи от инструмента, се определя от няколко фактора. Като правило се състои от спирачно лъчение и характерни кванти на взаимодействие.

Относителният състав на спектъра зависи от материала на анода, KV и филтъра. В тръба с волфрамов анод не се произвежда характерно излъчване при KV< 69,5 keV. При по-високи стойности на CV, използвани в диагностичните изследвания, характерната радиация увеличава общата радиация с до 25%. В устройствата с молибден той може да състави голяма част от общото поколение.

Ефективност

Само малка част от енергията, доставяна от електроните, се превръща в радиация. Основната част се абсорбира и се превръща в топлина. Радиационната ефективност се определя като съотношението на общата излъчена енергия от общата електрическа енергия, предадена на анода. Факторите, които определят ефективността на рентгеновата тръба са приложеното напрежение KV и атомното число Z. Примерна връзка е както следва:

Ефективност=KV x Z x 10-6.

Връзката между ефективността и KV има специфично въздействие върху практическото използване на рентгеново оборудване. Поради отделянето на топлина, тръбите имат определена граница на количеството електричествоенергията, която могат да разсеят. Това налага ограничение на мощността на устройството. С увеличаването на KV обаче количеството излъчвана радиация, произведена на единица топлина, се увеличава значително.

Зависимостта на ефективността на генерирането на рентгенови лъчи от състава на анода е само от академичен интерес, тъй като повечето устройства използват волфрам. Изключение правят молибденът и родият, използвани в мамографията. Ефективността на тези устройства е много по-ниска от волфрама поради по-ниския им атомен номер.

налягане в евакуираната рентгенова тръба

Ефективност

Ефективността на рентгеновата тръба се дефинира като количеството на експозицията в милирентгени, доставено до точка в центъра на полезния лъч на разстояние 1 m от фокусното място за всеки 1 mAs от електрони, преминаващи през устройството. Стойността му изразява способността на устройството да преобразува енергията на заредените частици в рентгенови лъчи. Позволява ви да определите експозицията на пациента и изображението. Подобно на ефективността, ефективността на устройството зависи от редица фактори, включително KV, форма на вълната на напрежението, анодния материал и повреда на повърхността, филтър и време на употреба.

KV контрол

KV ефективно контролира изхода на рентгеновата тръба. Обикновено се приема, че изходът е пропорционален на квадрата на KV. Удвояването на KV увеличава експозицията с 4x.

Вълнова форма

Вълнова форма описва начина, по който KV се променя с течение на времето по време на генериранеторадиация поради цикличния характер на захранването. Използват се няколко различни форми на вълната. Общият принцип е, че колкото по-малко се променя KV формата, толкова по-ефективно се произвеждат рентгенови лъчи. Съвременното оборудване използва генератори с относително постоянно KV.

Рентгенови тръби: производители

Oxford Instruments произвежда различни устройства, включително стъклени устройства до 250 W, потенциал 4-80 kV, фокусно петно до 10 микрона и широка гама от анодни материали, включително Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

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

Рентгенови тръби "Svetlana-Rentgen" се произвеждат в Русия. В допълнение към традиционните устройства с въртящ се и стационарен анод, компанията произвежда устройства със студен катод, контролиран от светлинния поток. Предимствата на устройството са следните: