Ako fungujú röntgenové rúrky?

Röntgenové lúče sú generované pomocoupremena energie elektrónu na fotóny, ktorá sa vyskytuje v rôntgenovej trubici. Množstvo (expozícia) a kvalita (spektrum) žiarenia sa dá regulovať zmenou prúdu, napätia a času prevádzky prístroja.

Princíp činnosti

Röntgenové rúrky (fotografia je uvedená v článku)sú energetické prevodníky. Dostanú to zo siete a premenia to na iné formy - prenikajúce žiarenie a teplo, zatiaľ čo druhý je nežiadúcim vedľajším produktom. Röntgenové rúrkové zariadenie je také, že maximalizuje produkciu fotónov a čo najrýchlejšie odvádza teplo.

Rúrka je pomerne jednoducháPrístroj spravidla obsahuje dve základné prvky - katódu a anódu. Keď prúd prúdi z katódy do anódy, elektróny strácajú energiu, čo vedie k vzniku röntgenových lúčov.

anóda

Anóda je zložka, v ktorej jeemisie vysokoenergetických fotónov. Je to relatívne masívny kovový prvok, ktorý sa pripája k kladnému pólu elektrického obvodu. Vykonáva dve hlavné funkcie:

• konvertuje energiu elektrónov na röntgenové lúče,
• rozptyľuje teplo.

Materiál pre anódu sa vybral na zvýšenie týchto funkcií.

V ideálnom prípade by väčšina elektrónov mala tvoriť fotóny s vysokou energiou, a nie teplo. Podiel ich celkovej energie, ktorý sa mení na röntgenové žiarenie (EFFICIENCY), závisí od dvoch faktorov:

• atómové číslo (Z) anódového materiálu,
• energia elektrónov.

Vo väčšine röntgenových rúrok ako aMateriál anódy používa volfrám, ktorého atómové číslo je 74. Okrem veľkého Z má tento kov aj iné vlastnosti, ktoré ho robia vhodným na tento účel. Wolfram je jedinečný svojou schopnosťou udržiavať pevnosť pri zahrievaní, má vysokú teplotu topenia a nízku mieru odparovania.

Po mnoho rokov bola anóda vyrobená z čistéhovolfrám. V posledných rokoch sme začali používať zliatinu tohto kovu s réniom, ale len na povrchu. Samotná anóda pod vrstvou wolfrámu a rénia je vyrobená z ľahkého materiálu, ktorý dobre nahromadí teplo. Dve takéto látky sú molybdén a grafit.

Röntgenové rúrky používané premamografia sa vyrába s anódou potiahnutou molybdénom. Tento materiál má stredné atómové číslo (Z = 42), ktoré generuje charakteristické fotóny s energiami, ktoré sú vhodné na natáčanie prsníka. Niektoré mamografické nástroje majú tiež druhú anódu vyrobenú z ródia (Z = 45). To vám umožní zvýšiť energiu a dosiahnuť väčšiu penetráciu v hustom hrudníku.

Použitie rénium-wolfrámovej zliatiny sa zlepšujedlhodobý výťažok žiarenia - v priebehu času sa účinnosť zariadení s anódou čistého volfrámu znižuje v dôsledku tepelného poškodenia povrchu.

Väčšina anód má tvar skosených diskova je pripevnený na hriadeli motora, ktorý je so otáča pri relatívne vysokých rýchlostiach pri emisii röntgenového žiarenia. Účelom otáčania - odvádzanie tepla.

Ohniskové miesto

Pri generovaní röntgenových lúčov,celú anódu. Vyskytuje sa na malej ploche povrchu - ohniskom. Rozmery tohto druhu sú určené rozmermi elektrónového lúča prichádzajúceho z katódy. Vo väčšine zariadení má pravouhlý tvar a pohybuje sa v rozmedzí od 0,1 do 2 mm.

Röntgenové rúrky majú určitú veľkosť ohniska. Čím menšie to je, tým menšie rozmazanie a ostrejší obraz a čím viac je, tým lepšie je odstránené teplo.

Veľkosť ohniska je jednafaktory, ktoré sa musia brať do úvahy pri výbere rôntgenových trubíc. Výrobcovia vyrábajú zariadenia s malými ohniskovými bodmi, keď je potrebné dosiahnuť vysoké rozlíšenie a dostatočne malé žiarenie. Napríklad je nutné pri štúdiu malých a jemných častí tela, ako v mamografiu.

Röntgenové rúrky sa vyrábajú hlavne s ohniskovými bodmi dvoch veľkostí - veľkými a malými, ktoré môže prevádzkovateľ vybrať v súlade s postupom pre tvorbu obrazu.

katóda

Hlavnou funkciou katódy je generovať elektróny a zhromažďovať ich v lúčiku namierenom na anódu. Zvyčajne pozostáva z malej drôtenej špirály (vlákna), ponorenej do pohárika.

Elektróny prechádzajúce okruhom zvyčajne nemôžuopustiť vodič a ísť do voľného priestoru. Môžu to však urobiť, ak získajú dostatok energie. V procese známych ako termionická emisia sa teplo používa na odvádzanie elektrónov z katódy. To je možné, ak tlak vo vysávanej rôntgenovej trubici dosiahne hodnotu 10^-6-10^-7 mm Hg. Art. Vlákno sa zahrieva rovnakým spôsobom ako vlákno žiarovky, keď preteká prúd. Práca röntgenovej trubice je sprevádzaná zahrievaním katódy na luminiscenčnú teplotu s posunom časti elektrónov tepelnou energiou z nej.

balónik

Anóda a katóda sú obsiahnuté v uzavretom priestore -fľašu. Balónik a jeho obsah sa často nazývajú vložkou, ktorá má obmedzenú životnosť a môže sa nahradiť. Röntgenové rúrky majú hlavne sklenené žiarovky, aj keď sa na niektoré aplikácie používajú kovové a keramické valce.

Hlavnou funkciou valca je poskytnúť oporu a izoláciu anódy a katódy a udržovať vákuum. Tlak v evakuovanej rôntgenovej trubici pri 15 ° C je 1,2 × 10^-3 Pa. Prítomnosť plynov vo valci by umožnila prúdenie elektriny cez zariadenie voľne a to nielen vo forme elektrónového lúča.

bývanie

Usporiadanie rôntgenovej trubice je také, že vokrem plota a podpory iných komponentov slúži ako tienenie a absorbuje žiarenie s výnimkou užitočného lúča prechádzajúceho cez okno. Jeho relatívne veľká vonkajšia plocha rozptýli veľa tepla generovaného vo vnútri zariadenia. Priestor medzi telesom a vložkou je naplnený olejom, ktorý zabezpečuje izoláciu a chladenie.

reťaz

Elektrický okruh spája trubku so zdrojomenergia, ktorá sa nazýva generátor. Zdroj prijíma energiu zo siete a konvertuje striedavý prúd na konštantný. Generátor tiež umožňuje nastaviť niektoré parametre obvodu:

• KV - napätie alebo elektrický potenciál;
• MA je prúd, ktorý preteká rúrkou;
• S - trvanie alebo čas expozície, v zlomkoch sekundy.

Reťaz zabezpečuje pohyb elektrónov. Sú nabité energiou, prechádzajúcou cez generátor a dávajú jej anóde. Keď sa pohybujú, existujú dve transformácie:

• potenciálna elektrická energia sa premení na kinetickú energiu;
• Kinetika sa zasa mení na röntgenové žiarenie a teplo.

potenciál

Keď elektróny vstupujú do banky, majúpotenciálnu elektrickú energiu, ktorej množstvo je určené napätím KV medzi anódou a katódou. Röntgenová rúrka pracuje pod napätím, aby vytvorila 1 KV, z ktorých každá častica by mala mať 1 keV. Nastavením KV, operátor priradí každému elektrónu množstvo energie.

kinetika

Nízky tlak v evakuovanej rôntgenovej trubici (pri teplote 15 ° C je 10^-6-10^-7 mm Hg. Art.) umožňuje, aby častice lietali od katódy k anóde za pôsobenia termionickej emisie a elektrickej sily. Táto sila ich urýchľuje, čo vedie k zvýšeniu rýchlosti a kinetickej energie ak zníženiu potenciálnej energie. Keď častica narazí na anódu, jej potenciál sa stratí a všetka energia ide na kinetickú energiu. 100-keV elektrón dosiahne rýchlosť presahujúcu polovicu rýchlosti svetla. Keď dopadne na povrch, častice veľmi rýchlo spomaľujú a strácajú kinetickú energiu. Zmení sa na röntgenové žiarenie alebo teplo.

Elektróny prichádzajú do styku s jednotlivými atómami anódového materiálu. Radenie vzniká, keď interagujú s orbitálmi (rentgenovými fotónmi) a s jadrom (bremsstrahlung).

Sila komunikácie

Každý elektrón vnútri atómu máurčená väzbovou energiou, ktorá závisí od veľkosti tejto väzby a od úrovne, v ktorej sa nachádza častica. Väzbová energia zohráva dôležitú úlohu pri vytváraní charakteristických röntgenových žiarení a je potrebná na odstránenie elektrónu z atómu.

bremsstrahlung

Brzdové žiarenie produkuje najväčší výkonpočet fotónov. Elektróny, ktoré prechádzajú anódovým materiálom a prechádzajú okolo jadra, sa odchyľujú a spomaľujú sily priťahovania atómu. Ich energia, stratila počas tohto stretnutia, sa objavuje vo forme fotónového rentgenu.

rad

Len málo fotónov má energiu blízkoenergia elektrónov. Väčšina z nich je nižšia. Predpokladajme, že okolo jadra je priestor alebo pole, v ktorom sú elektróny zaťažené silou "inhibície". Toto pole je možné rozdeliť na zóny. To dáva oblasti jadra formu cieľa s atómom v strede. Elektrón, ktorý zasiahne akýkoľvek bod cieľového objektu, podlieha spomaleniu a generuje rentgenový fotón. Častice, ktoré sa nachádzajú najbližšie k stredu, sú vystavené najväčšiemu vplyvu, a preto strácajú najviac energie a produkujú fotóny s najvyššou energiou. Elektróny vstupujúce do vonkajších zón majú slabšie interakcie a vytvárajú kvantu s nižšou energiou. Aj keď zóny majú rovnakú šírku, majú rozdielnu plochu v závislosti od vzdialenosti od jadra. Keďže počet častíc, ktoré padajú na danú zónu, závisí od jej celkovej plochy, je zrejmé, že vonkajšie zóny zachytávajú viac elektrónov a vytvárajú viac fotónov. Podľa tohto modelu je možné predpovedať energetické spektrum röntgenového žiarenia.

E_max fotóny základného spektra bremsstrahlung zodpovedajú E_max elektróny. Pod týmto bodom, s poklesom energie kvantov sa ich počet zvyšuje.

Významný počet fotónov s nízkou energiouje absorbovaný alebo filtrovaný, pretože sa pokúšajú prechádzať cez anódový povrch, okienko rúrky alebo filter. Filtrácia spravidla závisí od zloženia a hrúbky materiálu, cez ktorý prechádza lúč, čo určuje konečnú formu krivky nízkej energie v spektre.

Účinok KV

Určuje vysokoenergetická časť spektranapätie v rôntgenových skúmavkách kV (kilovolt). Je to preto, lebo určuje energiu elektrónov, ktoré sa dostanú do anódy, a fotóny nemôžu mať väčší potenciál. Pod akým napätím funguje röntgenová rúrka? Maximálna energia fotónu zodpovedá maximálnemu použitému potenciálu. Toto napätie sa môže počas expozície meniť v dôsledku sieťového prúdu. V tomto prípade E_max fotón je určený špičkovým napätím kmitania KV_p.

Okrem potenciálu kvantov, KV_p určuje množstvo žiarenia, ktoré produkujepočtom elektrónov dopadajúcich na anóde. Keďže celková účinnosť bremsstrahlung sa zvyšuje v dôsledku rastu energie bombardujúcich elektrónov, čo je určené KV_ppotom z toho vyplýva, že KV_p ovplyvňuje účinnosť zariadenia.

KV zmena_pzvyčajne mení spektrum. Celková plocha pod energetickou krivkou je počet fotónov. Bez filtra je spektrum trojuholník a množstvo žiarenia je úmerné štvorcu KV. S filtrom zvyšuje KV tiež zvýšenie penetrácie fotónov, čo znižuje percento filtrovaného žiarenia. To vedie k zvýšeniu výstupu žiarenia.

Charakteristické vyžarovanie

Typ interakcie, ktorý produkujecharakteristické žiarenie, zahŕňa kolíziu vysokorýchlostných elektrónov s orbitálnou. Interakcia môže nastať iba vtedy, keď prichádzajúca častica má E_na väčšia ako väzbová energia v atóme. Keď je táto podmienka splnená a dôjde k zrážke, elektrón sa vyrazí. Zároveň zostáva voľné miesto naplnené časticou s vyššou úrovňou energie. Ako sa pohybuje, elektrón uvoľňuje energiu emitovanú vo forme röntgenovej kvantovej energie. Toto sa nazýva charakteristické žiarenie, pretože E fotónu je charakteristickým znakom chemického prvku, z ktorého je vytvorená anóda. Napríklad, keď sa elektrón K-úrovni volfrámu vyrazí s E_komunikácia= 69,5 keV, voľné miesto je naplnené elektrónom z úrovne L s E_komunikácia= 10,2 keV. Charakteristický röntgenový fotón má energiu rovnú rozdielu medzi týmito dvoma úrovňami alebo 59,3 keV.

V skutočnosti tento anódový materiál vedie kobjavenie množstva charakteristických energií röntgenového žiarenia. Je to preto, že elektróny s rôznymi úrovňami energie (K, L atď.) Môžu byť vyradené bombardovaním častíc a voľné miesta je možné naplniť z rôznych úrovní energie. Hoci vyplnenie voľných miest na úrovni L vytvára fotóny, ich energia je príliš malá na to, aby sa mohla použiť na diagnostické zobrazovanie. Každej charakteristickej energii je uvedený symbol, ktorý označuje orbitál, v ktorom sa voľné miesto vytvorilo, s indexom, ktorý indikuje zdroj elektrónovej náplne. Alfa index (α) označuje naplnenie elektrónu z úrovne L a beta (β) označuje plnenie z úrovne M alebo N.

• Spektrum volfrámu. Charakteristické vyžarovanie tohto kovuvytvára lineárne spektrum pozostávajúce z niekoľkých diskrétnych energií a brzdiace spektrum vytvára nepretržité rozdelenie. Počet fotónov vytvorených každou charakteristickou energiou je odlišný v tom, že pravdepodobnosť vyplnenia voľného miesta na úrovni K závisí od orbity.
• Molybdénové spektrum. Anódy z tohto kovu sa používajúmamografia, produkujú dve pomerne intenzívne charakteristické energie röntgenového žiarenia: K-alfa pri 17,9 keV a K-beta pri 19,5 keV. Optimálny rozsah rôntgenových trubíc, ktorý umožňuje dosiahnuť najlepšiu rovnováhu medzi kontrastnou a radiačnou dávkou pre stredne veľkú hrudník, sa dosahuje na úrovni E_F= 20 keV. Bremsstrahlung sa však vyrába z veľkých energií. V mamografickom zariadení sa na odstránenie nežiaducich častí spektra používa molybdénový filter. Filter pracuje na princípe "okraja K". Absorbuje žiarenie, ktoré prevyšuje energiu viazania elektrónov na úrovni K atómu molybdénu.
• Ródiové spektrum Ródium má atómové číslo 45 a molybdén - 42. Preto charakteristické röntgenové lúče ródiovej anódy budú mať o niečo viac energie ako molybdén a budú prenikavejšie. Používa sa na získanie obrázkov hustých prsníkov.

Anódy s dvojitým povrchom, molybdén-ródium, umožňujú operátorovi vybrať si distribúciu optimalizovanú pre mliečne žľazy rôznych veľkostí a hustôt.

Vplyv KV na spektrum

Hodnota KV výrazne ovplyvňuje charakteristikužiarenie, pretože sa nebude produkovať, ak KV je menšia ako elektrónová energia K-úrovne. Keď KV prekročí tento prah, množstvo žiarenia je zvyčajne úmerné rozdielu KV trubice a prahu KV.

Energetické spektrum fotónov röntgenového lúča opúšťajúceho prístroj je určené viacerými faktormi. Spravidla pozostáva z inhibičných a charakteristických kvantových interakcií.

Relatívne zloženie spektra závisí od materiáluanóda, KV a filter. V trubici s anódou volfrámu sa charakteristické vyžarovanie nevytvára pri KV <69,5 keV. Pri vyšších hodnotách KV použitých v diagnostických štúdiách zvyšuje charakteristické žiarenie celkové žiarenie až o 25%. V molybdénových zariadeniach môže tvoriť väčšinu celkovej generácie.

efektívnosť

Len malá časť dodanej energiepomocou elektrónov, sa premení na ožarovanie. Hlavný podiel je absorbovaný a premenený na teplo. Efektivita žiarenia je definovaná ako zlomok celkovej vyžiarenej energie z celkovej elektrickej energie prenášanej na anódu. Faktory, ktoré určujú účinnosť rôntgenovej trubice, sú aplikované napätie KV a atómové číslo Z. Približný pomer je nasledovný:

• Účinnosť = KV x Z x 10^-6.

Vzťah medzi efektívnosťou a KV mášpecifický vplyv na praktické používanie röntgenového zariadenia. V dôsledku vytvárania tepla majú rúry určité obmedzenie množstva elektrickej energie, ktorú môžu rozptýliť. Toto obmedzuje výkon zariadenia. Pri zvýšení KV sa však množstvo žiarenia produkovaného na jednotku tepla výrazne zvyšuje.

Závislosť účinnostiRöntgenová generácia z anódovej kompozície je len akademický záujem, pretože väčšina zariadení používa volfrám. Výnimkou sú molybdén a ródium, ktoré sa používajú v mamografii. Účinnosť týchto zariadení je oveľa nižšia ako volfrám kvôli ich nižšiemu atómovému číslu.

účinnosť

Účinnosť röntgenovej trubice je určená pomocouako množstvo ožiarenia v milli-roentgénoch dodávaných do bodu v strede užitočného lúča vo vzdialenosti 1 m od ohniskovej vzdialenosti pre každý 1 mAc elektrónov prechádzajúcich zariadením. Jeho hodnota vyjadruje schopnosť zariadenia premieňať energiu nabitých častíc na röntgenové lúče. Umožňuje určiť expozíciu pacienta a snímku. Okrem efektívnosti závisí účinnosť zariadenia na mnohých faktoroch vrátane KV, krivky napätia, anódového materiálu a stupňa poškodenia jeho povrchu, filtra a času používania zariadenia.

Riadenie KV

Napätie KV efektívne riadi výstupné žiarenie röntgenovej trubice. Spravidla sa predpokladá, že výstup je úmerný štvorcu KV. Zdvojnásobenie KV zvyšuje expozíciu o 4 krát.

vlnovú

Křivka popisuje spôsob, akým sa vyskytujeKV sa s časom mení v procese generovania žiarenia kvôli cyklickému charakteru napájania. Používa sa niekoľko rôznych priebehov. Všeobecný princíp je nasledovný: čím je menšia zmena tvaru KV, tým sa produkujú efektívnejšie röntgenové lúče. V moderných zariadeniach sa používajú generátory s relatívne konštantným KV.

Röntgenové rúry: Výrobcovia

Spoločnosť Oxford Instruments vyrába rôznezariadenia vrátane skla s kapacitou do 250 W, potenciál 4 až 80 kV, ohnisko až do 10 mikrónov a široký rozsah anódových materiálov vrátane Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti , W.

Varian ponúka viac ako 400 rôznych typov.lekárske a priemyselné röntgenové rúrky. Ďalšími známymi výrobcami sú spoločnosti Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong atď.

Röntgenové rúrky sa vyrábajú v Rusku"Svetlana-Röntgen". Okrem tradičných zariadení s rotujúcou a stacionárnou anódou spoločnosť vyrába zariadenia so studenou katódou riadenou svetelným tokom. Výhody zariadenia sú nasledujúce:

• pracovať v kontinuálnom a pulznom režime;
• absencia zotrvačnosti;
• Kontrola intenzity LED;
• čistota spektra;
• možnosť získať röntgenové žiarenie s rôznou intenzitou.
</ ul </ p>