Kako delujejo rentgenske cevi?

Rentgensko sevanje se ustvari s pretvorbo energije elektronov v fotone, ki se pojavljajo v rentgenski cevi. Količino (izpostavljenost) in kakovost (spekter) sevanja se lahko regulira s spreminjanjem trenutnega, napetostnega in obratovalnega časa instrumenta.

Načelo delovanja

Rentgenske cevi (fotografija v članku) so pretvorniki energije. Dobijo jo iz omrežja in ga pretvorijo v druge oblike - penetriranje sevanja in toplote, medtem ko je slednji nezaželen stranski proizvod. Naprava za rentgensko cev je takšna, da maksimira proizvodnjo fotonov in čim prej razpusti toploto.

Cev je sorazmerno preprosta naprava, ki ponavadi vsebuje dva glavna elementa - katodo in anodo. Ko tok odteče od katode do anode, elektroni izgubijo energijo, kar vodi k generaciji rentgenskih žarkov.

Anoda

Anoda je komponenta, v kateri se oddajajo visokoenergetski fotoni. To je relativno masiven element kovine, ki se povezuje s pozitivnim polom električnega tokokroga. Izvaja dve glavni funkciji:

• pretvori energijo elektronov v rentgenske žarke,
• razprši toploto.

Za izboljšanje teh funkcij se izbere material za anodo.

V idealnem primeru bi večina elektronov morala oblikovati visoko energijske fotone in ne toploto. Delež njihove celotne energije, ki se pretvori v rentgensko sevanje, (UČINKOVITOST) je odvisen od dveh dejavnikov:

• atomsko število (Z) anodnega materiala,
• energija elektronov.

V večini rentgenskih cevi se kot anodni material uporablja volfram, katerega atomsko število je 74. Poleg velikega Z ima ta kovina še nekaj drugih lastnosti, ki so primerne za ta namen. Volfram je edinstven v svoji sposobnosti vzdrževanja moči pri segrevanju, ima visoko tališče in nizko stopnjo izhlapevanja.

Anoda je bila več let izdelana iz čistega volframa. V zadnjih letih smo začeli uporabljati zlitine te kovine z renijem, vendar le na površini. Sama anoda pod prevleko volfram-renij je narejena iz lahkega materiala, ki akumulira toploto. Dve snovi sta molibden in grafit.

Rentgenske cevi, ki se uporabljajo za mamografijo, so izdelane z anodo, prevlečeno z molibdenom. Ta material ima vmesno atomsko število (Z = 42), ki ustvarja značilne fotone z energijo, ki so primerne za fotografiranje dojke. Nekateri mamografski instrumenti imajo tudi drugo anodo iz rodija (Z = 45). To vam omogoča, da povečate energijo in dosežete večjo penetracijo za gosto prsno košaro.

Uporaba rhenium-volframa zlitina izboljšuje dolgoročni donos sevanja - sčasoma se učinkovitost naprav z anodo čistega volframa zmanjša zaradi toplotne poškodbe površine.

Večina anod je oblikovana s poševnimi ploščami in je pritrjena na gred elektromotorja, ki se med emitiranjem rentgenskih žarkov vrti z relativno visokimi hitrostmi. Namen vrtenja je odstraniti toploto.

Žarišče

Pri generiranju rentgenskih žarkov ne sodeluje celotna anoda. Pojavlja se na majhnem delu površine - osrednji točki. Dimenzije slednjih določajo dimenzije elektronskega žarka, ki prihaja iz katode. V večini naprav ima pravokotno obliko in se razlikuje v območju 0,1-2 mm.

Rentgenske cevi projektirajo z določeno velikostjo žariščnega mesta. Manjše je, tem manj zamegljenost in ostrejša slika, bolj pa je, tem bolje je odstraniti toploto.

Velikost osrednjega mesta je eden od dejavnikov, ki jih je treba upoštevati pri izbiri rentgenskih cevi. Proizvajalci proizvajajo naprave z majhnimi žariščnimi točkami, ko je potrebno doseči visoko ločljivost in dovolj majhno sevanje. Na primer, to je potrebno pri študiji majhnih in tanjših delov telesa, kot pri mamografiji.

Rentgenske cevi se večinoma proizvajajo z žariščema dveh velikosti - velikih in majhnih, ki jih lahko izbere upravljavec v skladu s postopkom za oblikovanje slike.

Cathod

Glavna funkcija katode je ustvarjanje elektronov in njihovo zbiranje v žarek usmerjenem na anodo. Praviloma je sestavljena iz majhne žične spirale (žarilne nitke), potopljene v skodelico v obliki depresije.

Elektroni, ki potekajo skozi vezje, običajno ne morejo zapustiti prevodnika in oditi v prosti prostor. Vendar lahko to storijo, če dobijo dovolj energije. V postopku, znanem kot termionska emisija, se toplota uporablja za izločanje elektronov iz katode. To postane mogoče, ko tlak v evakuirani rentgenski cevi doseže 10^-6-10^-7 mm Hg. Art. Žarilna nitka se segreva na enak način kot filament žarnice, ko tok teče skozi to. Delo rentgenske cevi spremlja segrevanje katode do temperature luminescence s premikanjem dela elektronov s toplotno energijo iz nje.

Cilinder

Anoda in katoda sta v zaprtem ohišju. Balon in njegova vsebina se pogosto imenujejo vložek, ki ima omejeno življenjsko dobo in ga je mogoče zamenjati. Rentgenske cevi imajo v glavnem steklene čebulice, čeprav se za nekatere aplikacije uporabljajo kovinski in keramični cilindri.

Glavna funkcija cilindra je zagotoviti podporo in izolacijo anoda in katoda, in vzdrževanje vakuuma. Tlak v evakuirani rentgenski cevi pri 15 ° C je 1,2middot-10^-3 Pa. Prisotnost plinov v valju bi omogočala prosto električno pretakanje električne energije skozi napravo, ne le v obliki elektronskega žarka.

Stanovanje

Naprava za rentgensko cev je taka, da poleg ohišja in podpore drugih komponent ohišje služi kot ščit in absorbira sevanje, razen uporabnega žarka, ki poteka skozi okno. Sorazmerno velika zunanja površina odteka veliko toplote, ki nastane v napravi. Prostor med telesom in vložkom je napolnjen z oljem, ki zagotavlja izolacijo in hlajenje.

Verigo

Električno vezje povezuje cev z energijskim virom, ki se imenuje generator. Vir dobi moč iz omrežja in pretvarja izmenični tok v konstantno. Generator vam omogoča tudi prilagajanje nekaterih parametrov vezja:

• KV - napetost ali električni potencial;
• MA je tok, ki teče skozi cev;
• S - trajanje ali čas izpostavljenosti, v delih sekunde.

Veriga zagotavlja gibanje elektronov. Napolnijo jih z energijo, gredo skozi generator in ga dajo na anodo. Ko se premikajo, obstajata dve transformaciji:

• potencialna električna energija se pretvori v kinetično energijo;
• Kinetika se nato spremeni v rentgensko sevanje in toploto.

Potencial

Ko elektrone vstopijo v bučko, imajo potencialno električno energijo, katere količino določi napetost KV med anodo in katodo. Rentgenska cev deluje pod napetostjo, da bi ustvarila 1 KV, od katerih mora vsak delec imeti 1 keV. S prilagoditvijo KV operator vsakemu elektronu dodeli količino energije.

Kinetika

Nizek tlak v evakuirani rentgenski cevi (pri 15 ° C je 10^-6-10^-7 mm Hg. ) omogoča delce pod vplivom termične emisije in električno silo, da letijo od katode do anode. Ta sila jih pospešuje, kar vodi k povečanju hitrosti in kinetične energije ter zmanjšanju potencialne energije. Ko delec zadene anodo, se izgubi potencial in vsa njegova energija gre kinetični energiji. Elektron 100-keV doseže hitrost, ki presega polovico hitrost svetlobe. Z nagibanjem površine delci zelo hitro upočasnijo in izgubijo svojo kinetično energijo. Preoblikuje se v rentgenske žarke ali toploto.

Elektroni pridejo v stik s posameznimi atomi anodnega materiala. Sevanje se ustvari, ko se komunicira z orbitali (rentgenski fotoni) in z jedrom (bremsstrahlung).

Moč komunikacije

Vsak elektron v atomu ima določeno vezivno energijo, ki je odvisna od velikosti slednjega in ravni, na kateri je delec. Energija vezave igra pomembno vlogo pri ustvarjanju značilnega rentgenskega sevanja in je potrebna za odstranjevanje elektrona od atoma.

Bremsstrahlung

Zavorno sevanje proizvaja največje število fotonov. Elektroni, ki prodirajo v anodni material in potekajo v bližini jedra, so odklonjeni in upočasnjeni s silo privlačnosti atoma. Njihova energija, izgubljena med tem srečanjem, se pojavlja v obliki rentgenskega fotona.

Spekter

Le nekaj fotonov ima energijo blizu energije elektronov. Večina jih je nižja. Recimo, da obstaja prostor ali polje, ki obkroža jedro, v katerem elektroni doživljajo silo "zaviranja". To polje je mogoče razdeliti na območja. To daje področju jedra obliko tarče z atomom v sredini. Elektron, ki zadene katerokoli točko cilja, upočasni pojemek in ustvari rentgenski foton. Delci, ki so najbližji središču, so izpostavljeni največjemu vplivu in zato izgubijo največ energije, ki proizvajajo najbolj visoko energijske fotone. Elektroni, ki vstopajo v zunanje površine, doživljajo več šibke interakcije in nizkoenergijske kvante. Čeprav imajo cone enako širino, imajo različne površine glede na razdaljo do jedra. Ker je število delcev, ki pada na določeno cono, odvisno od njegove celotne površine, je očitno, da zunanji pasovi zajemajo več elektronov in ustvarijo več fotonov. Po tem modelu je mogoče napovedati energijski spekter rentgenskega sevanja.

E_max fotoni osnovnega frekvenčnega spektra ustrezajo E_max elektronov. Pod to točko, z zmanjšanjem energije kvantov, se njihovo število poveča.

Znatno število fotonov z nizko energijo se absorbira ali filtrira, ko poskušajo skozi površino anoda, okno cevi ali filter. Filtriranje je na splošno odvisna od sestave in debeline materiala, skozi katero prehaja žarek, in to določi končno obliko krivulje spektra nizkoenergijske.

Učinek KV

Visokoenergetski del spektra določa napetost v rentgenskih ceveh kV (kilovolt). To je zato, ker določa energijo elektronov, ki dosežejo anodo, fotoni pa ne morejo imeti večjega potenciala od tega. Pod kakšno napetostjo deluje rentgenska cev? Največja energija fotona ustreza največjemu uporabljenemu potencialu. Ta napetost se lahko spreminja med izpostavljenostjo zaradi omrežnega toka. V tem primeru E_max foton določi najvišja napetost osi KV_str.

Poleg potenciala kvantov, KV_str določi količino sevanja, ki ga proizvede določeno število elektronov, ki spadajo na anodo. Ker se skupna učinkovitost bremsstrahlunga povečuje zaradi rasti energije bombardirnih elektronov, ki ga določi KV_str, potem sledi, da KV_str vpliva na učinkovitost naprave.

Spremenite KV_str, praviloma spreminja spekter. Skupna površina pod krivuljo energije je število fotonov. Brez filtra je spekter trikotnik, obseg sevanja pa je sorazmeren kvadratu KV. V prisotnosti filtra povečanje KV povečuje tudi penetracijo fotonov, kar zmanjša odstotek filtriranega sevanja. To vodi v povečanje donosa sevanja.

Karakteristično sevanje

Vrsta interakcije, ki proizvaja značilno sevanje, vključuje trčenje hitrih elektronov z orbitalnimi. Interakcija se lahko pojavi le, če ima dohodni delec E_do večja kot energija vezave v atomu. Ko je ta pogoj izpolnjen in pride do trka, se elektron izniči. To pušča prazno mesto, napolnjeno z delcem višje ravni energije. Ko se gibanje premika, elektron oddaja energijo, ki se izžareva v obliki rentgenskega kvanta. To imenujemo značilno sevanje, saj je E foton značilnost kemijskega elementa, iz katerega je izdelana anoda. Na primer, ko je elektron z K-ravni volframa izpuščen z E_komunikacije= 69,5 keV, sprostitev je napolnjena z elektronom iz nivoja L z E_komunikacije= 10,2 keV. Značilen rentgenski foton ima energijo, ki je enaka razliki med tema dvema nivojema ali 59,3 keV.

Pravzaprav ta anodni material povzroči pojav številnih značilnih rentgenskih energij. Vzrok se elektroni na različnih ravneh energije (K, L, itd) udari obstreljevanjem delcev in mesta se lahko napolni z različnimi stopnjami energije. Medtem ko je L-stopnja prostih delovnih mest ustvarja fotonov in njihova energija je premajhna za uporabo v diagnostičnem slikanju. Vsaka značilnost energija dobi oznako, ki označuje orbitalna, pri čemer delovno mesto, z indeksom, ki prikazuje vir elektronov potrebno. Indeks alfa (alfa-) označuje polnjenje elektronov z L-nivoja, beta (beta-) pa označuje polnjenje z ravni M ali N.

• Spekter volframa. Značilno sevanje te kovine proizvaja linearni spekter, ki ga sestavlja več diskretnih energij, in bremsstrahlung ustvarja neprekinjeno porazdelitev. Število fotonov, ki jih ustvarja vsaka značilna energija, se razlikuje po tem, da je verjetnost zapolnjevanja prostorov na ravni K odvisna od orbita.
• Spekter molibdena. Anode iz te kovine, ki se uporabljajo za mamografijo, proizvajajo dve zelo intenzivni karakteristični rentgenski energiji: K-alfa pri 17,9 keV in K-beta pri 19,5 keV. Optimalno območje rentgenskih cevi, ki omogoča doseganje najboljše ravnovesja med kontrastom in odmerka sevanja za srednje velike prsi se doseže z E_f= 20 keV. Vendar pa bremsstrahlung proizvajajo visoke energije. V mamografski opremi se za odstranitev neželenega dela spektra uporabi molibdenski filter. Filter deluje po principu K-roba. Absorbira sevanje, ki presega energijo vezave elektronov na ravni K molibdenskega atoma.
• Spekter rodija. Rodij ima atomsko število 45, in molibdena - 42. Zato se karakteristični rentgenskimi žarki rodija anodo ima nekoliko višjo energijo kot da molibdena in bolj prodirajo. To se uporablja za pridobivanje slik gosto dojk.

Anode z dvojnimi površinami, molibden-rodij, omogočajo operaterju, da izbere distribucijo, optimizirano za mlečne žleze različnih velikosti in gostote.

Vpliv KV na spekter

Vrednost KV močno vpliva na značilno sevanje, saj ne bo proizvedena, če je KV manjši od energije elektronov na ravni K. Ko KV presega ta prag, je količina sevanje običajno sorazmerna razliki med cevko KV in pragom KV.

Energijski spekter rentgenskih fotonov, izpuščenih iz instrumenta, določa več dejavnikov. Praviloma je sestavljen iz kvantitete bremsstrahlung in značilne interakcije.

Relativna sestava spektra je odvisna od materiala anode, KV in filtra. V cevi z volframovo anodo se na KV ne tvori značilno sevanje< 69,5 keV. Pri višjih vrednostih CV, uporabljenih v diagnostičnih študijah, značilno sevanje poveča skupno sevanje na 25%. V molibdenskih napravah lahko predstavlja večino celotne generacije.

Učinkovitost

Le majhen del energije, ki jo oddajajo elektroni, se pretvori v sevanje. Glavni del se absorbira in pretvori v toploto. Učinkovitost sevanja je opredeljena kot delež celotne sevane energije iz celotne električne energije, ki se poroča na anodi. Faktorji, ki določajo učinkovitost rentgenske cevi, so uporabljena napetost KV in atomska številka Z. Razmerje je približno sledeče:

• Učinkovitost = KV x Z x 10^-6.

Razmerje med učinkovitostjo in KV ima poseben učinek na praktično uporabo rentgenske opreme. Zaradi nastajanja toplote imajo cevi določeno omejitev glede količine električne energije, ki jo lahko razpršijo. To omejuje moč naprave. S povečanjem KV pa se je količina proizvedenega sevanja na enoto toplote močno povečala.

Odvisnost učinkovitosti rentgenskih žarkov na anodni sestavi je le akademski interes, saj večina naprav uporablja volfram. Izjeme so molibden in rodij, ki se uporabljajo pri mamografiji. Učinkovitost teh naprav je veliko nižja od volframa zaradi njihove nižje atomske številke.

Učinkovitost

Učinkovitost rentgenska cev je definirana kot količina obsevanje millirentgenah dostavljena do točke na sredini koristnega snopa na razdalji 1 m od osrednje mesto za vsak 1 Mas elektronov poteka skozi napravo. Njegova vrednost izraža sposobnost naprave, da pretvori energijo polnjenih delcev v rentgenske žarke. Omogoča, da določite izpostavljenost pacienta in slike. Kot učinkovitost je učinkovitost naprave odvisna tudi od številnih dejavnikov, vključno s KV, napetostno valovno obliko, anodnim materialom in stopnjo poškodb na površini, filtrom in časom uporabe naprave.

Kontrola KV

Napetost KV učinkovito nadzira izhodno sevanje rentgenske cevi. Praviloma se domneva, da je izhod sorazmeren kvadratu KV. Dvojni KV povečuje izpostavljenost za 4-krat.

Oblika valovanja

Oblika valov opisuje način, kako se KV s časom spreminja v procesu generiranja sevanja zaradi ciklične narave napajanja. Uporabljamo več različnih valovnih oblik. Splošno načelo je to: manjša oblika KV, bolj učinkovito rentgensko sevanje. V sodobni opremi se uporabljajo generatorji s relativno konstantnim KV.

Rentgenske cevi: proizvajalci

Oxford Instruments Podjetje izdeluje različne naprave, kot so steklo, moči do 250 W, 4-80 kV potencial, kontaktne točka 10 mikronov in široko paleto anode materialov, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian ponuja več kot 400 različnih vrst medicinskih in industrijskih rentgenskih cevi. Drugi znani proizvajalci so Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong in drugi.

V Rusiji se proizvajajo rentgenske cevi "Svetlana-Roentgen". Poleg tradicionalnih naprav z rotacijsko in stacionarno ano, podjetje proizvaja naprave s hladno katodo, ki jih nadzira svetlobni tok. Prednosti naprave so:

• delo v neprekinjenem in impulznem načinu;
• brez inercije;
• regulacija trenutne jakosti LED;
• čistost spektra;
• možnost pridobivanja rentgenskih žarkov z različno intenzivnostjo.