Як працуюць рэнтгенаўскія трубкі?

Рэнтгенаўскае выпраменьванне ствараецца шляхам пераўтварэння энергіі электронаў у фатоны, якое адбываецца ў рэнтгенаўскай трубцы. Колькасць (экспазіцыю) і якасць (спектр) выпраменьвання можна рэгуляваць шляхам змены току, напружання і часу працы прыбора.

Прынцып працы

Рэнтгенаўскія трубкі (фота прыведзена ў артыкуле) з'яўляюцца пераўтваральнікамі энергіі. Яны атрымліваюць яе з сеткі і ператвараюць у іншыя формы - пранікальнае выпраменьванне і цяпло, пры гэтым апошняе з'яўляецца непажаданым пабочным прадуктам. Прылада рэнтгенаўскай трубкі такое, што яна максімізуе вытворчасць фатонаў і рассейвае цяпло так хутка, наколькі гэта магчыма.

Трубка ўяўляе сабой адносна просты прыбор, як правіла, які змяшчае два прынцыповыя элемента - катод і анод. Калі ток цячэ ад катода да анода, электроны губляюць энергію, што прыводзіць да генерацыі рэнтгенаўскага выпраменьвання.

анод

Анод з'яўляецца кампанентам, у якім вырабляецца выпусканне высокаэнергетычных фатонаў. Гэта параўнальна масіўны элемент з металу, які злучаецца з станоўчым полюсам электрычнай ланцугу. Выконвае дзве асноўныя функцыі:

• пераўтворыць энергію электронаў у рэнтгенаўскае выпраменьванне,
• рассейвае цяпло.

Матэрыял для анода выбіраецца так, каб узмацніць гэтыя функцыі.

У ідэале большасць электронаў павінна ўтвараць высокаэнергетычныя фатоны, а не цяпло. Доля іх поўнай энергіі, якая ператвараецца ў рэнтгенаўскае выпраменьванне, (ККД) залежыць ад двух фактараў:

• атамнага нумара (Z) аноднага матэрыялу,
• энергіі электронаў.

У большасці рэнтгенаўскіх трубак ў якасці матэрыялу анода выкарыстоўваецца вальфрам, атамны нумар якога роўны 74. У дадатак да вялікага Z, гэты метал валодае некаторымі іншымі характарыстыкамі, якія робяць яго падыходнымі для гэтай мэты. Вальфрам унікальны па сваёй здольнасці захоўваць трываласць пры награванні, мае высокую тэмпературу плаўлення і нізкую хуткасць выпарэння.

На працягу многіх гадоў анод рабілі з чыстага вальфраму. У апошнія гады пачалі выкарыстоўваць сплаў гэтага металу з караўся, але толькі на паверхні. Сам анод пад вальфрам-рениевым пакрыццём вырабляецца з лёгкага матэрыялу, добра які акумулюе цяпло. Двума такімі рэчывамі з'яўляюцца малібдэн і графіт.

Рэнтгенаўскія трубкі, якія выкарыстоўваюцца для маммографіі, вырабляюць з анодам, пакрытым малібдэнам. Гэты матэрыял мае прамежкавы атамны нумар (Z = 42), які генеруе характарыстычнай фатоны з энергіямі, зручнымі для здымкі грудзей. Некаторыя прыборы для маммографіі таксама маюць другі анод, выкананы з родыя (Z = 45). Гэта дазваляе павысіць энергію і дамагчыся большага пранікнення для шчыльнай грудзей.

Выкарыстанне рений-вальфрамавага сплаву паляпшае доўгатэрміновы выхад выпраменьвання - з часам эфектыўнасць прылад з анодам з чыстага вальфраму памяншаецца з прычыны тэрмічнага пашкоджанні паверхні.

Большасць анодам мае форму скошаных дыскаў і мацуецца да вала электрарухавіка, які круціць іх на адносна высокіх хуткасцях падчас выпускання рэнтгенаўскіх прамянёў. Мэта кручэння - адвод цяпла.

факальнай пляма

У генерацыі рэнтгенаўскага выпраменьвання ўдзельнічае не ўвесь анод. Яно ўзнікае на невялікім участку яго паверхні - факальнай пляме. Памеры апошняга вызначаюцца памерамі электроннага пучка, які паступае з катода. У большасці прылад яно мае прастакутную форму і вар'іруецца ў межах 0,1-2 мм.

Рэнтгенаўскія трубкі праектуюць з вызначаным памерам факальнай плямы. Чым яно менш, тым менш размытасць і вышэй выразнасць малюнка, і чым яно больш, тым лепш адводзіцца цеплыня.

Памер фокуснай плямы з'яўляецца адным з фактараў, які неабходна ўлічваць, калі выбіраюць рэнтгенаўскія трубкі. Вытворцы выпускаюць прыборы з малымі факальнымі плямамі, калі неабходна дасягнуць высокай адрознівальнай здольнасці і досыць невялікі радыяцыі. Напрыклад, гэта патрабуецца пры даследаванні малых і тонкіх частак цела, як у маммографіі.

Рэнтгенаўскія трубкі ў асноўным вырабляюць з фокуснай плямамі двух памераў - вялікім і малым, якія могуць быць выбраны аператарам у адпаведнасці з працэдурай фармавання малюнка.

катод

Асноўная функцыя катода - генераваць электроны і збіраць іх у прамень, накіраваны на анод. Як правіла, ён складаецца з невялікай драцяной спіралі (ніткі), пагружанай ў чашеобразной паглыбленне.

Электроны, якія праходзяць па ланцугу, звычайна не могуць пакінуць правадыр і сысці ў вольны прастору. Аднак яны могуць гэта зрабіць, калі атрымаюць дастатковую колькасць энергіі. У працэсе, вядомым як термоэмиссия, для выгнання электронаў з катода выкарыстоўваецца цяпло. Гэта становіцца магчымым, калі ціск у адпампаваць рэнтгенаўскай трубцы дасягае 10 ^-6 -10 ^-7 мм рт. арт. Нітка награваецца такім жа чынам, як спіраль лямпы напальвання пры прапусканні праз яе току. Праца рэнтгенаўскай трубкі суправаджаецца нагрэвам катода да тэмпературы святлення з выцясненнем цеплавой энергіяй з яго часткі электронаў.

балон

Анод і катод ўтрымліваюцца ў герметычным корпусе - балоне. Балон і яго змесціва часта называюць устаўкай, якая мае абмежаваны тэрмін службы і можа замяняцца. Рэнтгенаўскія трубкі ў асноўным маюць шкляныя колбы, хоць для некаторых ужыванняў выкарыстоўваюцца металічныя і керамічныя балоны.

Асноўнай функцыяй балона з'яўляецца забеспячэнне падтрымкі і ізаляцыя анода і катода, і падтрыманне вакууму. Ціск у адпампаваць рэнтгенаўскай трубцы пры 15 ° C складае 1,2 · 10 ^-3 Па. Наяўнасць газаў у балоне дазволіла б электрычнасці цячы праз прыбор свабодна, а не толькі ў выглядзе электроннага пучка.

корпус

Прылада рэнтгенаўскай трубкі такое, што, у дадатак да агароджы і падтрымцы іншых кампанентаў, яе корпус служыць шчытом і паглынае выпраменьванне, за выключэннем які праходзіць праз акно карыснага пучка. Яго адносна вялікая знешняя паверхню рассейвае большую частку цяпла, якi ўтвараецца ўнутры прылады. Прастора паміж корпусам і устаўкай запоўнена алеем, якія забяспечваюць ізаляцыю і яе астуджэнне.

ланцуг

Электрычная ланцуг злучае трубку з крыніцай энергіі, які называецца генератарам. Крыніца атрымлівае харчаванне ад сеткі і пераўтворыць пераменны ток у пастаянны. Генератар таксама дазваляе рэгуляваць некаторыя параметры ланцуга:

• KV - напружанне або электрычны патэнцыял;
• MA - ток, які цячэ праз трубку;
• S - працягласць або час экспазіцыі, у долях секунды.

Ланцуг забяспечвае рух электронаў. Яны зараджаюцца энергіяй, праходзячы праз генератар, і аддаюць яе анода. Па меры іх руху адбываецца два пераўтварэнні:

• патэнцыйная электрычная энергія ператвараецца ў кінэтычную;
• кінэтычная, у сваю чаргу, пераўтворыцца ў рэнтгенаўскае выпраменьванне і цяпло.

патэнцыял

Калі электроны паступаюць у колбу, яны валодаюць патэнцыйнай электрычнай энергіяй, колькасць якой вызначаецца напругай KV паміж анодам і катодам. Рэнтгенаўская трубка працуе пад напругай, для стварэння 1 KV якога кожная часціца павінна валодаць 1 кэВ. Рэгулюючы KV, аператар надзяляе кожны электрон вызначанай колькасцю энергіі.

кінетыка

Нізкі ціск у адпампаваць рэнтгенаўскай трубцы (пры 15 ° C яно складае 10 ^-6 -10 ^-7 мм рт. Арт.) Дазваляе часціцам пад дзеяннем тэрмаэлектроннай эмісіі і электрычнай сілы вылятаць з катода да анода. Гэтая сіла паскарае іх, што прыводзіць да павелічэння хуткасці і кінэтычнай энергіі і змяншэнні патэнцыйнай. Калі часціца трапляе на анод, яе патэнцыял губляецца, і ўся яе энергія пераходзіць у кінэтычную. 100-кэВ электрон дасягае хуткасці, якая перавышае паловы хуткасці святла. Удараючыся аб паверхню, часціцы вельмі хутка запавольваюцца і губляюць сваю кінэтычную энергію. Яна ператвараецца ў рэнтгенаўскае выпраменьванне ці цяпло.

Электроны ўступаюць у кантакт з асобнымі атамамі матэрыялу анода. Выпраменьванне генеруецца пры іх узаемадзеянні з арбіталей (рэнтгенаўскія фатоны) і з ядром (тармазны выпраменьванне).

энергія сувязі

Кожны электрон ўнутры атама валодае пэўнай энергіяй сувязі, якая залежыць ад памеру апошняга і ўзроўню, на якім знаходзіцца часціца. Энергія сувязі гуляе важную ролю ў генерацыі характарыстычных рэнтгенаўскага выпраменьвання і неабходная для выдалення электрона з атама.

тармазное выпраменьванне

Тармазное выпраменьванне вырабляе найбольшую колькасць фатонаў. Электроны, якія пранікаюць ў матэрыял анода і хто праходзіць паблізу ядра, адхіляюцца і запавольваюцца сілай прыцягнення атама. Іх энергія, губляюцца падчас гэтай сустрэчы, з'яўляецца ў выглядзе рэнтгенаўскага фатона.

спектр

Толькі нешматлікія фатоны валодаюць энергіяй, блізкай да энергіі электронаў. У большасці з іх яна ніжэй. Выкажам здагадку, што існуе прастору, або поле, навакольнае ядро, у якім электроны адчуваюць сілу «тармажэння». Гэта поле можа быць падзелена на зоны. Гэта дае полі ядра выгляд мішэні з атамам ў цэнтры. Электрон, які трапляе ў любую кропку мішэні, адчувае тармажэнне і генеруе рэнтгенаўскі фатон. Часціцы, якія трапляюць бліжэй за ўсё да цэнтра, падвяргаюцца найбольшай ўздзеяння і, такім чынам, губляюць больш за ўсё энергіі, вырабляючы самыя высокоэнергичные фатоны. Электроны, якія трапляюць ў знешнія зоны, адчуваюць больш слабыя ўзаемадзеяння і генеруюць кванты з больш нізкай энергіяй. Хоць зоны маюць аднолькавую шырыню, што яны маюць розную плошчу, якая залежыць ад адлегласці да ядра. Бо лік часціц, якія трапляюць на дадзеную зону, залежыць ад яе агульнай плошчы, то відавочна, што знешнія зоны захопліваюць больш электронаў і ствараюць больш фатонаў. Па гэтай мадэлі можна прадказаць энергетычны спектр рэнтгенаўскага выпраменьвання.

_E max фатонаў асноўнага спектру тармазнога выпраменьвання адпавядае _E max электронаў. Ніжэй гэтага пункту, з памяншэннем энергіі квантаў іх колькасць расце.

Значная колькасць фатонаў з малымі энергіямі паглынаецца або фільтруецца, паколькі яны спрабуюць прайсці праз паверхню анода, акно трубкі або фільтр. Фільтраванне, як правіла, залежыць ад складу і таўшчыні матэрыялу, праз які праходзіць прамень, што і вызначае канчатковы выгляд нізкаэнергетычных крывой спектру.

ўплыў KV

Высокаэнергетычныя частку спектру вызначае напружанне ў рэнтгенаўскіх трубках kV (кілавольт). Гэта адбываецца таму, што яно абумоўлівае энергію электронаў, якія дасягаюць анода, а фатоны не могуць валодаць патэнцыялам, вялікім чым гэты. Пад якой напругай працуе рэнтгенаўская трубка? Максімальная энергія фатона адпавядае максімальнаму прыкладзенаму патэнцыялу. Гэта напружанне можа змяняцца падчас экспазіцыі з-за пераменнага току сеткі. У гэтым выпадку _E max фатона вызначаецца пікавым напругай перыяду ваганняў _KV p.

Акрамя патэнцыялу квантаў, _KV p вызначае колькасць радыяцыі, стваранай дадзеных лікам электронаў, якія трапляюць на анод. Так як агульная эфектыўнасць тармазнога выпраменьвання павялічваецца за кошт росту энергіі бамбуюць электронаў, якая вызначаецца _KV p, то адсюль вынікае, што _KV p ўплывае на ККД прыбора.

Змена _KV p, як правіла, змяняе спектр. Агульная плошча пад крывой энергій ўяўляе сабой лік фатонаў. Без фільтра спектр ўяўляе сабой трохвугольнік, а колькасць радыяцыі прапарцыйна квадрату KV. Пры наяўнасці фільтра павелічэнне KV таксама павялічвае пранікненне фатонаў, што зніжае працэнт фільтруюцца выпраменьвання. Гэта вядзе да павелічэння радыяцыйнага выхаду.

характарыстычных выпраменьванне

Тып ўзаемадзеяння, які вырабляе характарыстычных выпраменьванне, уключае сутыкненне высакахуткасных электронаў з арбітальнымі. Ўзаемадзеянне можа адбывацца толькі тады, калі якая ўваходзіць часціца валодае Е _да большай, чым энергія сувязі ў атаме. Калі гэта ўмова выканана, і адбываецца сутыкненне, электрон выбіваецца. Пры гэтым застаецца вакансія, запаўняліся часціцай больш высокага энергетычнага ўзроўню. Па меры руху электрон аддае энергію, выпраменьваную ў выглядзе рэнтгенаўскага кванта. Гэта называецца характарыстычных выпраменьваннем, так як E фатона з'яўляецца характарыстыкай хімічнага элемента, з якога зроблены анод. Напрыклад, калі выбіваецца электрон К-ўзроўню вальфраму з Е _сувязі = 69,5 кэВ, вакансія запаўняецца электронам з L-ўзроўню з E _сувязі = 10,2 кэВ. Характарыстычных рэнтгенаўскі фатон валодае энергіяй, роўнай рознасці паміж гэтымі двума ўзроўнямі, або 59,3 кэВ.

На самай справе, дадзены матэрыял анода прыводзіць да з'яўлення шэрагу характарыстычных энергій рэнтгенаўскага выпраменьвання. Гэта адбываецца таму, што электроны на розных энергетычных узроўнях (K, L і г.д.) могуць быць выбітыя бамбардзір часціцамі, а вакансіі могуць быць запоўненыя з розных энергетычных узроўняў. Нягледзячы на тое што запаўненне вакансій L-ўзроўню генеруе фатоны, іх энергіі занадта малыя для выкарыстання ў дыягнастычнай візуалізацыі. Кожнай характарыстычнай энергіі даецца абазначэнне, якое паказвае на арбіталей, у якой утварылася вакансія, з індэксам, які паказвае крыніца запаўнення электрона. Індэкс альфа (α) пазначае запаўненне электрона з L-ўзроўню, а бэта (β) паказвае на запаўненне з ўзроўню М або N.

• Спектр вальфраму. Характарыстычных выпраменьванне гэтага металу вырабляе лінейны спектр, які складаецца з некалькіх дыскрэтных энергій, а тармазны стварае бесперапыннае размеркаванне. Лік фатонаў, створаных кожнай характарыстычнай энергіяй, адрозніваецца тым, што верагоднасць запаўнення вакансіі K-ўзроўню залежыць ад арбіталь.
• Спектр малібдэна. Аноды з дадзенага металу, якія выкарыстоўваюцца для маммографіі, вырабляюць дзве досыць інтэнсіўныя характарыстычнай энергіі рэнтгенаўскага выпраменьвання: K-альфа пры 17,9 кэВ, і K-бэта пры 19,5 кэВ. Аптымальны спектр рэнтгенаўскіх трубак, які дазваляе дасягнуць найлепшы баланс паміж кантраснасцю і дозай апраменьвання для грудзей сярэдняга памеру, дасягаецца пры Е _ф = 20 кэВ. Аднак тармазны выпраменьванне вырабляецца вялікімі энергіямі. У абсталяванні для маммографіі для выдалення непажаданай частцы спектру выкарыстоўваецца малібдэнавы фільтр. Фільтр працуе па прынцыпе «K-краю». Ён паглынае выпраменьванне, якое перавышае энергію сувязі электронаў на К-узроўні атама малібдэна.
• Спектр родыя. Родий мае атамны нумар 45, а малібдэн - 42. Таму характарыстычных рэнтгенаўскае выпраменьванне родиевого анода будзе мець трохі вялікую энергію, чым у малібдэна, і больш пранікальную. Гэта выкарыстоўваецца для атрымання малюнкаў шчыльнай грудзей.

Аноды з падвойнымі ўчасткамі паверхні, малібдэн-родиевыми, даюць магчымасць аператару выбраць размеркаванне, аптымізаваным пад малочныя залозы рознага памеру і шчыльнасці.

Ўплыў KV на спектр

Значэнне KV моцна ўплывае на характарыстычных выпраменьванне, т. К. Яно не будзе праводзіцца, калі KV менш энергіі электронаў K-ўзроўню. Калі KV перавышае гэта парогавае значэнне, колькасць выпраменьвання, як правіла, прапарцыйна рознасці KV трубкі і парогавага KV.

Спектр энергій фатонаў рэнтгенаўскага прамяня, які выходзіць з прыбора, вызначаецца некалькімі фактарамі. Як правіла, ён складаецца з квантаў тармазнога і характарыстычных ўзаемадзеяння.

Адносны склад спектру залежыць ад матэрыялу анода, KV і фільтра. У трубцы з вальфрамавым анодам характарыстычных выпраменьванне не утвараецца пры KV <69,5 кэВ. Пры больш высокіх значэннях КВ, якія выкарыстоўваюцца ў дыягнастычных даследаваннях, характарыстычных выпраменьванне павялічвае сумарную радыяцыю да 25%. У малібдэнавы прыладах яно можа скласці вялікую частку агульнага аб'ёму генерацыі.

ККД

Толькі невялікая частка энергіі, дастаўляецца электронамі, пераўтворыцца ў радыяцыю. Асноўная доля паглынаецца і ператвараецца ў цяпло. ККД выпраменьвання вызначаецца як доля поўнай выпраменьванай энергіі ад агульнай электрычнай, паведамляем анода. Фактарамі, якія вызначаюць ККД рэнтгенаўскай трубкі, з'яўляюцца прыкладзенае напружанне KV і атамны нумар Z. Прыкладнае стаўленне наступнае:

• ККД = KV х Z х 10 ^-6.

Ўзаемасувязь паміж эфектыўнасцю і KV аказвае спецыфічнае ўплыў на практычнае выкарыстанне рэнтгенаўскага абсталявання. З-за вылучэння цяпла трубкі маюць пэўны мяжа па колькасці электрычнай энергіі, якую яны могуць рассейваць. Гэта накладвае абмежаванне на магутнасць прыбора. З павелічэннем KV, аднак, колькасць радыяцыі, якое зрабілі на адзінку цяпла, значна павялічваецца.

Залежнасць каэфіцыента карыснага дзеяння генерацыі рэнтгенаўскага выпраменьвання ад складу анода прадстаўляе толькі акадэмічны інтарэс, паколькі ў большасці прылад выкарыстоўваецца вальфрам. Выключэннем з'яўляецца малібдэн і родий, якія выкарыстоўваюцца ў маммографіі. ККД гэтых прыбораў значна ніжэй вальфрамавай з-за іх больш нізкага атамнага нумара.

эфектыўнасць

Эфектыўнасць рэнтгенаўскай трубкі вызначаецца як колькасць апрамянення ў миллирентгенах, дастаўленага ў кропку ў цэнтры карыснага пучка на адлегласці 1 м ад фокуснай плямы на кожны 1 МАС электронаў, якія праходзяць праз прыбор. Яе значэнне выказвае здольнасць прыбора ператвараць энергію зараджаных часціц у рэнтгенаўскае выпраменьванне. Дазваляе вызначыць экспазіцыю пацыента і здымка. Як і ККД, эфектыўнасць прылады залежыць ад шэрагу фактараў, у тым ліку KV, формы хвалі напружання, матэрыялу анода і ступені пашкоджання яго паверхні, фільтра і часу выкарыстання прыбора.

KV-кіраванне

Напружанне KV эфектыўна кіруе выхадных выпраменьваннем рэнтгенаўскай трубкі. Як правіла, мяркуецца, што выхад прапарцыйны квадрату KV. Падваенне KV павялічвае экспазіцыю ў 4 разы.

форма хвалі

Форма хвалі апісвае спосаб, з дапамогай якога KV змяняецца з часам у працэсе генерацыі радыяцыі з-за цыклічнай прыроды электрасілкавання. Выкарыстоўваецца некалькі розных формаў хваль. Агульны прынцып такі: чым менш змяняецца форма KV, тым больш эфектыўна вырабляецца рэнтгенаўскае выпраменьванне. У сучасным абсталяванні выкарыстоўваюць генератары з адносна пастаянным KV.

Рэнтгенаўскія трубкі: вытворцы

Кампанія Oxford Instruments выпускае розныя прылады, уключаючы шкляныя магутнасцю да 250 Вт, патэнцыялам 4-80 кВ, факальнай плямай да 10 мікрон і шырокім дыяпазонам матэрыялаў анода, у т. Ч. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian прапануе больш за 400 розных тыпаў медыцынскіх і прамысловых рэнтгенаўскіх трубак. Іншымі вядомымі вытворцамі з'яўляюцца Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong і інш.

У Расіі выпускаюцца рэнтгенаўскія трубкі «Светлана-Рэнтген». Акрамя традыцыйных прыбораў з які верціцца і стацыянарным анодам, прадпрыемства вырабляе прылады з халодным катодам, кіраваным светлавым патокам. Перавагі прыбора наступныя:

• праца ў бесперапынным і імпульсным рэжымах;
• безынерционность;
• рэгуляванне інтэнсіўнасці токам святлодыёда;
• чысціня спектру;
• магчымасць атрымання рэнтгенаўскага выпраменьвання рознай інтэнсіўнасці.