Kako funkcioniraju rendgenske cijevi?

Rendgensko zračenje se stvara pretvaranjem energije elektrona u fotone, što se događa u rendgenskoj cijevi. Količina (ekspozicija) i kvaliteta (spektar) zračenja mogu se regulirati mijenjanjem struje, napona i vremena rada instrumenta.

Načelo rada

Rendgenske cijevi (slika je dana u članku) su energetski pretvornici. Dobivaju ga iz mreže i pretvaraju ga u druge oblike - penetrirajuće zračenje i toplinu, a potonji je nepoželjni nusproizvod. Uređaj rendgenske cijevi takav da maksimizira proizvodnju fotona i raspršuje toplinu što je brže moguće.

Cijev je relativno jednostavan uređaj, obično sadrži dva glavna elementa - katoda i anoda. Kad struja teče od katode do anode, elektroni gube energiju, što dovodi do stvaranja rendgenskih zraka.

anoda

Anoda je komponenta u kojoj se emitiraju visokoenergetski fotoni. Ovo je relativno masivni element metala koji se povezuje s pozitivnim polovima električnog kruga. Obavlja dvije glavne funkcije:

• pretvara energiju elektrona u rendgenske zrake,
• raspršuje toplinu.

Materijal za anodu odabran je kako bi se poboljšale te funkcije.

U idealnom slučaju, većina elektrona bi trebala oblikovati visokoenergetske fotone, a ne toplinu. Udio njihove ukupne energije, koji se pretvara u rendgensko zračenje, (EFFICIENCY) ovisi o dva čimbenika:

• atomskog broja (Z) anodnog materijala,
• energija elektrona.

U većini rendgenskih cijevi, volfram se koristi kao anodni materijal, čiji je atomski broj 74. Osim velikog Z, ovaj metal ima neke druge karakteristike koje ga čine prikladnim za tu svrhu. Volfram je jedinstven u svojoj sposobnosti da održava snagu kada se zagrije, ima visoku točku taljenja i nisku brzinu isparavanja.

Anod je dugi niz godina izrađen od čiste volframa. Posljednjih smo godina počeli koristiti leguru ovog metala s rinomom, ali samo na površini. Sam anoda pod tungsten-rhenium premazom izrađena je od laganog materijala koji dobro nakuplja toplinu. Dvije takve tvari su molibden i grafit.

Rendgenske cijevi koje se koriste za mamografiju napravljene su s anodom obloženim molibdenom. Ovaj materijal ima srednji atomski broj (Z = 42), koji generira karakteristične fotone s energijama koje su pogodne za snimanje dojke. Neki instrumenti mamografije također imaju drugu anodu od rodija (Z = 45). To vam omogućuje povećanje energije i postizanje veće penetracije za gustu prsima.

Upotreba renium-volframa legura poboljšava dugoročni prinos zračenja - tijekom vremena, učinkovitost uređaja s anodom čiste volframa smanjuje zbog toplinskog oštećenja površine.

Većina anoda imaju oblik obloženih diskova i pričvršćene su na osovinu električnog motora, koje ih rotiraju pri relativno velikim brzinama tijekom emitiranja rendgenskih zraka. Svrha rotacije je ukloniti toplinu.

Fokalna točka

U generaciji rendgenskih zraka, ne sudjeluje cijela anoda. To se događa na malom području njegove površine - žarišnom mjestu. Dimenzije potonje određene su dimenzijama elektronskog snopa koji dolaze iz katode. U većini uređaja ima pravokutni oblik i varira u rasponu od 0,1 do 2 mm.

Prozirne cijevi s određenom veličinom žarišne točke. Što je manja, to je manje zamagljenja i oštrija slika, a što je više, to je bolje ukloniti toplinu.

Veličina žarišne točke je jedan od čimbenika koji se moraju uzeti u obzir prilikom odabira rendgenske cijevi. Proizvođači proizvode uređaje s malim žarišnim točkama kada je potrebno postići visoku rezoluciju i dovoljno mala zračenja. Na primjer, to je potrebno u proučavanju malih i tankih dijelova tijela, kao u mamografiji.

Rendgenske cijevi se uglavnom proizvode sa žarišnim točkama dviju veličina - velikih i malih, koje operater može odabrati u skladu s postupkom za formiranje slike.

katoda

Glavna je funkcija katode generiranje elektrona i sakupljanje ih u zraku usmjerenu na anodu. U pravilu se sastoji od male žičane spirale (filament), uronjene u deformaciju u obliku šalice.

Elektroni koji prolaze kroz krug obično ne mogu napustiti dirigent i otići u slobodni prostor. Međutim, to mogu učiniti ako dobiju dovoljno energije. U procesu poznatoj kao termička emisija, toplina se koristi za istjerivanje elektrona iz katode. To postaje moguće kada tlak u evakuaciji rendgenske cijevi dosegne 10^-6-10^-7 mm Hg. Čl. Vlakna se grije na isti način kao i žarulja žarulje kada struja teče kroz nju. Rad rendgenske cijevi prati zagrijavanje katode na luminescentnu temperaturu s pomicanjem dijela elektrona toplinskom energijom iz njega.

balon

Anoda i katoda nalaze se u brtvljenom kućištu. Balon i njegov sadržaj često se naziva umetak koji ima ograničeni vijek trajanja i može se zamijeniti. Rendgenske cijevi uglavnom imaju staklene žarulje, iako se za neke primjene koriste metalni i keramički cilindri.

Glavna funkcija cilindra je pružanje potpore i izolacije anoda i katode, i održavanje vakuuma. Tlak u evakuiranoj rendgenskoj cijevi na 15 ° C je 1.2middot-10^-3 Pa. Prisutnost plinova u cilindru omogućila bi strujanje struje kroz uređaj slobodno, a ne samo u obliku elektronskog snopa.

kućište

Uređaj rendgenske cijevi takav je, osim čuvanja i podupiranja ostalih komponenti, njegovo kućište služi kao štit i upija zračenje, osim korisne grede koja prolazi kroz prozor. Njegova relativno velika vanjska površina raspršuje veći dio topline proizvedene unutar uređaja. Prostor između tijela i umetka napunjen je uljem, koje osigurava izolaciju i hlađenje.

lanac

Električni krug spaja cijev na izvor energije, koji se zove generator. Izvor prima napajanje iz mreže i pretvara izmjeničnu struju u konstantan. Generator vam također omogućuje podešavanje parametara kruga:

• KV - napon ili električni potencijal;
• MA je struja koja teče kroz cijev;
• S - trajanje ili vrijeme izlaganja, u frakcijama sekunde.

Lanac osigurava kretanje elektrona. Napunjeni su energijom, prolazeći kroz generator i daju je anodu. Dok se kreću, postoje dvije transformacije:

• potencijalna električna energija se pretvara u kinetičku energiju;
• Kinetička se, pak, transformira u rendgensko zračenje i toplinu.

potencijal

Kada elektroni ulaze u tikvicu, oni imaju potencijalnu električnu energiju, čiju količinu određuje napon KV između anode i katode. Rendgenska cijev radi pod naponom, stvarajući 1 KV od kojih svaka čestica mora imati 1 keV. Podešavanjem KV, operator daje svakom elektronu određenu količinu energije.

kinetika

Nizak tlak u evakuirajućoj rendgenskoj cijevi (pri 15 ° C je 10^-6-10^-7 mm Hg. ) dopušta česticama pod djelovanjem termičke emisije i električne sile letjeti od katode do anode. Ova sila ih ubrzava, što dovodi do povećanja brzine i kinetičke energije i smanjenja potencijalne energije. Kada čestica udari anodu, njezin je potencijal izgubljen, a sva njegova energija odlazi na kinetičku energiju. 100-keV elektron dosegne brzinu koja prelazi polovicu brzina svjetlosti. Udarajući površinu, čestice se vrlo brzo usporavaju i gube svoju kinetičku energiju. Pretvara se u rendgenske zrake ili toplinu.

Elektroni dolaze u dodir s pojedinačnim atomima anodnog materijala. Zračenje se generira kada stupaju u interakciju s orbitalima (rendgenskim fotonima) i s jezgrom (bremsstrahlung).

Moć komunikacije

Svaki elektron unutar atoma ima određenu veznu energiju, koja ovisi o veličini potonjeg i razini gdje se čestica nalazi. Energija vezanja igra važnu ulogu u stvaranju karakterističnih rendgenskih zračenja i nužna je za uklanjanje elektrona iz atoma.

zakočnog zračenja

Najveći broj fotona stvara kočna zračenja. Elektroni koji prodiru u anodni materijal i prolaze pokraj jezgre se skreću i usporavaju silom atrakcije atoma. Njihova energija, izgubljena tijekom ovog susreta, pojavljuje se u obliku rendgenskog fotona.

raspon

Samo nekoliko fotona ima energiju blizu energije elektrona. Većina ih je niža. Pretpostavimo da postoji prostor ili polje koje okružuje jezgru, u kojoj elektroni doživljavaju silu "inhibicije". Ovo se polje može podijeliti na zone. To daje polju jezgre oblik u obliku meta s atomom u sredini. Elektronski koji pogoduje bilo koju točku cilja prolazi usporavanje i generira rendgenski foton. Čestice koje dolaze najbliže centru izložene su najvećem utjecaju i zato gube najveću energiju, proizvodeći najviše visokoenergetskih fotona. Elektroni koji ulaze u vanjske zone doživljavaju više slabe interakcije i generiraju se niske energije kvage. Iako zone imaju iste širine, imaju različitu površinu, ovisno o udaljenosti od jezgre. Budući da broj čestica koje pada na određenu zonu ovisi o njegovoj ukupnoj površini, očito je da vanjske zone hvataju više elektrona i stvaraju više fotona. Prema ovom modelu, moguće je predvidjeti energetski spektar rendgenskog zračenja.

E_maksimum fotoni temeljnog bremsstrahlung spektra odgovara E_maksimum elektroni. Ispod ove točke, uz smanjenje energije kvage, njihov se broj povećava.

Znatan broj fotona s niskim energijama apsorbira se ili filtrira jer pokušavaju proći kroz anodnu površinu, prozor cijevi ili filtar. Filtriranje, u pravilu, ovisi o sastavu i debljini materijala kroz koji prolazi zraka, što određuje konačni oblik niske energetske krivulje spektra.

Učinak KV

Visokodjelujući dio spektra određuje napon u rendgenskim zračnicama kV (kilovolt). To je zato što određuje energiju elektrona koji dolaze do anode, a fotoni ne mogu imati potencijal veći od ove. Pod kojim radom radišna cijev radi? Maksimalna energija fotona odgovara maksimalnom primijenjenom potencijalu. Ovaj napon može se mijenjati tijekom izlaganja zbog strujne struje. U ovom slučaju E_maksimum foton se određuje vršnim naponom oscilacijskog razdoblja KV_p.

Uz potencijal kvage, KV_p određuje količinu zračenja proizvedenu od određenog broja elektrona koji padaju na anodu. Budući da se ukupna učinkovitost bremsstrahlunga povećava zbog rasta energije elektrona bombardiranja, što je određeno pomoću KV_p, onda slijedi da je KV_p utječe na učinkovitost uređaja.

Promijeni KV_p, u pravilu, mijenja spektar. Ukupna površina ispod energetske krivulje je broj fotona. Bez filtra, spektar je trokut, a količina zračenja proporcionalna je kvadratu KV. U prisutnosti filtera povećanje KV također povećava penetraciju fotona, što smanjuje postotak filtriranog zračenja. To dovodi do povećanja prinosa zračenja.

Karakteristično zračenje

Vrsta interakcije koja proizvodi karakteristično zračenje uključuje sudar velike brzine elektrona s orbitalnim. Interakcija može nastati samo kada ulazna čestica ima E_u veća od energije vezanja u atomu. Kada se taj uvjet ispuni i dolazi do sudara, elektron se ispruži. To ostavlja prazno mjesto ispunjeno česticom viših razina energije. Kako se gibanje kreće, elektron oslobađa energiju zračenu u obliku rendgenskog kvantnog. To se naziva karakteristično zračenje, budući da je E foton karakterističan za kemijski element iz kojeg je izrađena anoda. Na primjer, kada je elektron s K-razinom volframa uništen s E_komunikacija= 69,5 keV, prazno mjesto je ispunjeno elektronom s razine L s E_komunikacija= 10,2 keV. Karakteristični foton X-zraka ima energiju jednaku razlici između ove dvije razine, ili 59,3 keV.

U stvari, ovaj anodni materijal dovodi do pojave brojnih karakterističnih rendgenskih energija. To je zbog toga što se elektrone na različitim razinama energije (K, L, itd.) Mogu bacati bombardiranjem čestica, a slobodna mjesta mogu biti napunjena iz različitih razina energije. Iako popunjavanje L-razine slobodnih radnih mjesta generira fotone, njihove su energije premale da bi se koristile u dijagnostičkoj slici. Svaka karakteristična energija dobiva oznaku koja označava orbital u kojem je nastalo slobodno mjesto, s indeksom koji pokazuje izvor punjenja elektrona. Alfa indeks (alfa) označava punjenje elektrona iz L-razine, a beta (beta-) označava punjenje s razine M ili N.

• Spektrum volframa. Karakteristično zračenje ovog metala proizvodi linearni spektar koji se sastoji od nekoliko diskretnih energija, a bremsstrahlung stvara kontinuiranu raspodjelu. Broj fotona stvorenih svakom karakterističnom energijom razlikuje se po tome što vjerojatnost popunjavanja mjesta na K razini ovisi o orbitalu.
• Spektar molibdena. Anode ovog metala koji se koristi za mamografija, proizvodi dva dovoljno intenzivan karakteristični rendgenogram energija: K alfa, na 17.9 keV i K-beta u 19.5 keV. Optimalni raspon rendgenskih cijevi, omogućujući postizanje najbolje ravnoteže između kontrasta i dozu zračenja za srednje dojke, postiže se s E_f= 20 keV. Međutim, bremsstrahlung proizvodi visoke energije. U opremi mamografije koristi se molibdenski filtar za uklanjanje neželjenog dijela spektra. Filter radi prema principu K-ruba. Apsorbira zračenje koje premašuje energiju vezanja elektrona na K-razini atoma molibdena.
• Spektar rodijuma. Rodij ima atomski broj od 45, a molibden ima 42. Zbog toga će karakteristično rendgensko zračenje rodijanske anode imati nešto višu energiju od molibdena i prodorljivije. Ovo se koristi za dobivanje slike guste dojke.

Anode s dvostrukim površinama, molibden-rodij, omogućuju operateru da odabere distribuciju optimiziranu za žlijezde dojke različite veličine i gustoće.

Utjecaj KV na spektar

Vrijednost KV snažno utječe na karakteristično zračenje, budući da se neće proizvoditi ako je KV manja od energije elektrona na K razini. Kada KV prelazi ovaj prag, količina zračenja je obično proporcionalna razlici između KV cijevi i praga KV.

Energetski spektar rendgenskih fotona koji se emitiraju iz instrumenta određuje nekoliko čimbenika. U pravilu se sastoji od kvage bremsstrahlung i karakteristične interakcije.

Relativni sastav spektra ovisi o materijalu anode, KV i filtera. U cijevi s volframom anoda, karakteristično zračenje nije formirano na KV< 69,5 keV. Kod viših vrijednosti CV korištenih u dijagnostičkim studijama, karakteristično zračenje povećava ukupnu zračenja na 25%. U molibdenskim uređajima, može računati za većinu ukupne generacije.

efikasnost

Samo mali dio energije koji se isporučuju elektrona pretvara se u zračenje. Glavni dio apsorbira se i pretvara u toplinu. Učinkovitost zračenja definirana je kao udio ukupne zračene energije iz ukupne električne energije, koja se odnosi na anodu. Faktori koji određuju učinkovitost rendgenske cijevi su primijenjeni napon KV i atomski broj Z. Približan omjer je kako slijedi:

• Učinkovitost = KV x Z x 10^-6.

Odnos između učinkovitosti i KV ima specifičan učinak na praktičnu uporabu rendgenske opreme. Zbog proizvodnje topline, cijevi imaju određenu granicu u smislu količine električne energije koju mogu raspršiti. To nameće ograničenje na snagu uređaja. S povećanjem KV, međutim, količina zračenja proizvedena po jedinici topline značajno je povećana.

Ovisnost učinkovitosti stvaranja X-zraka na anodnom sastavu je od akademskog interesa jer većina uređaja koristi volfram. Iznimke su molibden i rodij, koji se koriste u mamografiji. Učinkovitost ovih uređaja je znatno niža od volframa zbog nižeg atomskog broja.

efikasnost

Učinkovitost rendgenska cijev je definiran kao količina zračenja millirentgenah isporučena na točku u središtu korisnog zrake na udaljenosti od 1 m od žarišne točke za svakih 1 mas elektrona prolaze kroz uređaj. Njegova vrijednost izražava sposobnost uređaja da pretvori energiju nabijenih čestica u rendgenske zrake. Omogućuje određivanje ekspozicije pacijenta i slike. Kao učinkovitost, efikasnost uređaja ovisi o nekoliko čimbenika, uključujući KV, oblik napona val, anode materijala i stupanj oštećenja površine do uređaja za filtriranje i za vrijeme uporabe.

KV kontrolu

Napon KV učinkovito kontrolira izlazno zračenje rendgenske cijevi. U pravilu se pretpostavlja da je izlaz proporcionalan kvadratu KV. Udvostručenje KV povećava ekspoziciju za 4 puta.

valni oblik

Valni oblik opisuje način na koji KV varira s vremenom u procesu stvaranja zračenja zbog cikličke naravi napajanja. Upotrebljava se nekoliko različitih valnih oblika. Opće je načelo sljedeće: što je manji oblik KV-a, proizvodi se učinkovitije X-zračenje. U suvremenoj opremi koriste se generatori s relativno konstantnim KV.

Rendgenske cijevi: proizvođači

Oxford Instruments Tvrtka proizvodi razne uređaje, uključujući staklo, snage do 250 W, kV potencijala 4-80, središnjih točka 10 mikrona i širok spektar anodnog materijala, t. H. Ag, Au, CO, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian nudi više od 400 različitih vrsta medicinskih i industrijskih rendgenskih cijevi. Ostali poznati proizvođači su Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong i drugi.

U Rusiji se proizvode rendgenske cijevi "Svetlana-Roentgen". Pored tradicionalnih uređaja s rotirajućom i stacionarnom anodom, tvrtka proizvodi uređaje s hladnom katodom, kontroliranog svjetlosnim tokom. Prednosti uređaja su:

• rade u kontinuiranim i pulsiranim oblicima;
• odsutnost inercije;
• reguliranje trenutnog intenziteta LED-a;
• čistoća spektra;
• mogućnost dobivanja x-zraka različitih intenziteta.