Jak fungují rentgenové trubice?

Rentgenové záření je vytvořeno konverzí energie elektronů na fotony, které se vyskytují v rentgenové trubici. Množství (expozice) a kvalita (spektrum) záření lze regulovat změnou proudu, napětí a provozního času nástroje.

Princip činnosti

Rentgenové trubice (fotografie jsou uvedeny v článku) jsou měniče energie. Získávají to ze sítě a přeměňují ji na jiné formy - pronikající záření a teplo, zatímco druhá je nežádoucím vedlejším produktem. Zařízení s rentgenovými trubkami je takové, že maximalizuje produkci fotonů a co nejrychleji rozptýlí teplo.

Trubka je poměrně jednoduché zařízení, které obvykle obsahuje dva hlavní prvky - katodu a anodu. Když proud proudí od katody k anodě, elektrony ztrácejí energii, což vede k tvorbě rentgenových paprsků.

Anoda

Anoda je složka, ve které jsou fotony s vysokou energií emitovány. Jedná se o relativně masivní kovový prvek, který se připojuje k kladnému pólu elektrického obvodu. Vykonává dvě hlavní funkce:

• konvertuje energii elektronů na rentgenové záření,
• rozptyluje teplo.

Materiál pro anodu je vybrán pro zvýšení těchto funkcí.

V ideálním případě by většina elektronů měla vytvářet fotony s vysokou energií, spíše než teplo. Podíl jejich celkové energie, který je přeměněn na rentgenové záření (EFFICIENCY), závisí na dvou faktorech:

• atomové číslo (Z) anodového materiálu,
• energie elektronů.

Ve většině rentgenových trubek se jako anodový materiál používá atom wolframu, jehož atomové číslo je 74. Kromě tohoto velkého Z má tento kov i jiné vlastnosti, které ho činí vhodným pro tento účel. Wolfram je jedinečný svou schopností udržovat sílu při zahřátí, má vysokou teplotu tání a nízkou rychlost odpařování.

Po mnoho let byla anoda vyrobena z čistého wolframu. V posledních letech jsme začali používat slitiny tohoto kovu s rheniem, ale pouze na povrchu. Samotná anoda pod povlakem wolfram-rhenium je vyrobena z lehkého materiálu, který dobře hromadí teplo. Dvě takové látky jsou molybden a grafit.

Rentgenové trubice používané pro mamografii jsou vyrobeny s anodou potaženou molybdenem. Tento materiál má střední atomové číslo (Z = 42), které generuje charakteristické fotony s energiemi, které jsou vhodné pro natáčení prsu. Některé mamografické nástroje mají také druhou anodu vyrobenou z rhodia (Z = 45). To vám umožní zvýšit energii a dosáhnout větší penetrace pro hustou hruď.

Použití rhenia-wolframu slitiny zlepšují dlouhodobý výnos radiace - v průběhu času se účinnost zařízení s anodou čistého wolframu snižuje v důsledku tepelného poškození povrchu.

Většina anod má tvar zkosených kotoučů a je připevněna k hřídeli elektrického motoru, který je rotuje při poměrně vysokých rychlostech během emisí rentgenových paprsků. Účelem rotace je odstranění tepla.

Ohnisková vzdálenost

Při generování rentgenového záření se neúčastní celá anoda. Objevuje se na malé ploše jeho povrchu - ohniskové místo. Rozměry posledně jmenované jsou určeny rozměry elektronového paprsku přicházejícího z katody. Ve většině zařízení má obdélníkový tvar a pohybuje se v rozmezí 0,1-2 mm.

Rentgenové trubice se projeví s určitou velikostí ohniskové plochy. Čím menší je, tím menší je rozostření a ostřejší obraz a čím více je, tím lepší je teplo odstraněno.

Velikost ohniska je jedním z faktorů, které je třeba vzít v úvahu při výběru rentgenových trubiček. Výrobci vyrábějí zařízení s malými ohniskovými body, kdy je nezbytné dosáhnout vysokého rozlišení a dostatečně malého záření. Například je zapotřebí při studiu malých a tenkých částí těla, jako v mamografii.

Rentgenové trubice se vyrábějí hlavně s ohniskovými body dvou velikostí - velkými a malými, které může operátor vybrat podle postupu pro tvorbu obrazu.

Cathod

Hlavní funkcí katody je generovat elektrony a sbírat je v paprsku směřujícím na anodu. Zpravidla se skládá z malé drátěné spirály (vlákna), ponořené do pohárku.

Elektrony procházející okruhem obvykle nemohou opustit vodič a jít do volného prostoru. Mohou to však udělat, pokud dostanou dostatek energie. Při procesu známém jako termionická emise se používá teplo k vytlačování elektronů z katody. To je možné, když tlak v evakuované rentgenové trubce dosáhne hodnoty 10^-6.-10^-7. mm Hg. Art. Vlákno se ohřívá stejným způsobem jako vlákno žárovky, když protéká proudem. Práce rentgenové trubice je doprovázena zahříváním katody na luminiscenční teplotu s přemístěním části elektronů tepelnou energií z ní.

Válec

Anoda a katoda jsou obsaženy v uzavřeném pouzdře. Balón a jeho obsah se často označují jako vložka, která má omezenou životnost a může být nahrazena. Rentgenové trubice mají hlavně skleněné žárovky, ačkoli jsou pro některé aplikace používány kovové a keramické válce.

Hlavní funkcí válce je podpora a izolace anoda a katoda, a udržování vakua. Tlak v evakuované rentgenové trubici při 15 ° C je 1,2 msdot-10^-3 Pa. Přítomnost plynů ve válci by umožnila elektřinu protékat zařízením volně, a to nejen ve formě elektronového paprsku.

Bydlení

Zařízení s rentgenovým trubicím je takové, že kromě ochrany a podpory dalších komponentů slouží jeho krytí jako štít a absorbuje záření, s výjimkou užitečného paprsku procházejícího oknem. Jeho relativně velká vnější plocha rozptýlí velké množství tepla generovaného uvnitř zařízení. Prostor mezi tělesem a vložkou je vyplněn olejem, který zajišťuje izolaci a chlazení.

Řetěz

Elektrický obvod spojuje trubku s zdrojem energie, který se nazývá generátor. Zdroj přijímá energii ze sítě a mění střídavý proud na konstantní. Generátor také umožňuje upravit některé parametry obvodu:

• KV - napětí nebo elektrický potenciál;
• MA je proud, který protéká trubicí;
• S - trvání nebo doba expozice ve zlomcích sekundy.

Řetěz zajišťuje pohyb elektronů. Jsou nabíjeny energií, procházejí generátorem a dávají ji anodě. Jak se pohybují, existují dvě transformace:

• potenciální elektrická energie se přemění na kinetickou energii;
• Kinetika je zase transformována na rentgenové záření a teplo.

Potenciál

Když elektrony vstupují do baňky, mají potenciální elektrickou energii, jejíž množství je určeno napětím KV mezi anodou a katodou. Rentgenová trubice pracuje pod napětím, čímž vytvoří 1 KV, z nichž každá částic má 1 keV. Nastavením KV, operátor přiřadí každému elektronu množství energie.

Kinetika

Nízký tlak v evakuované rentgenové trubici (při 15 ° C je 10^-6.-10^-7. mm Hg. ) umožňuje částicům působením termionické emise a elektrické síly létat z katody do anody. Tato síla je urychluje, což vede ke zvýšení rychlosti a kinetické energie ak poklesu potenciální energie. Když částice narazí na anodu, její potenciál se ztratí a veškerá její energie přejde k kinetické energii. 100-keV elektron dosahuje rychlosti přesahující polovinu rychlost světla. Při nárazu na povrch se částice velmi rychle zpomalují a ztrácejí kinetickou energii. To se mění na rentgenové záření nebo teplo.

Elektrony přicházejí do styku s jednotlivými atomy anodového materiálu. Radiace se generuje, když interagují s orbitály (rentgenovými fotony) as jádrem (bremsstrahlung).

Síla komunikace

Každý elektron uvnitř atomu má určitou vazebnou energii, která závisí na jeho velikosti a na úrovni, v níž se částice nachází. Vazebná energie hraje důležitou roli při generování charakteristického rentgenového záření a je nezbytná pro odstranění elektronu z atomu.

Bremsstrahlung

Brzdové záření produkuje největší počet fotonů. Elektrony pronikající do anodového materiálu a procházející poblíž jádra jsou odkloněny a zpomalovány sílou přitahování atomu. Jejich energie, ztracená během tohoto setkání, se objevuje ve formě rentgenového fotonu.

Spektrum

Jen málo fotonů má energii blízkou energii elektronů. Většina z nich je nižší. Předpokládejme, že kolem jádra je prostor nebo pole, ve kterém elektrony zažijí sílu "inhibice". Toto pole lze rozdělit na zóny. To dává oblasti jádra formu cíle s atomem ve středu. Elektron, který zasáhne jakýkoli bod cíle, podléhá zpomalení a generuje rentgenový foton. Částice, které se nacházejí nejblíže k centru, jsou vystaveny největšímu vlivu, a proto ztrácejí nejvíce energie a vyrábějí fotonové materiály s nejvyšší energií. Elektrony, které vstupují do vnějších zón, mají více zkušeností slabé interakce a nízkoenergetické kvanty jsou generovány. Zóny mají stejnou šířku, mají rozdílnou plochu, v závislosti na vzdálenosti k jádru. Vzhledem k tomu, že počet částic spadajících do dané zóny závisí na celkové ploše, je zřejmé, že vnější zóny zachycují více elektronů a vytvářejí více fotonů. Podle tohoto modelu je možné předpovědět energetické spektrum rentgenového záření.

E_max fotony základního bremsstrahlung spektra odpovídají E_max elektrony. Pod tímto bodem, s poklesem energie kvant, se jejich počet zvyšuje.

Významný počet fotonů s nízkými energiemi je absorbován nebo filtrován, protože se pokoušejí projít skrze povrch anody, trubkové okno nebo filtr. Filtrace zpravidla závisí na složení a tloušťce materiálu, kterým prochází paprsek, což určuje konečnou podobu nízkoenergetické křivky spektra.

Vliv KV

Vysokoenergetická část spektra určuje napětí v rentgenových zkumavkách kV (kilovolt). Je to proto, že určuje energii elektronů, které se dostanou do anody, a fotony nemohou mít potenciál větší než toto. Pod jakým napětím pracuje rentgenová trubice? Maximální fotonová energie odpovídá maximálnímu použitému potenciálu. Toto napětí se může během expozice lišit v důsledku síťového proudu střídavého proudu. V tomto případě E_max foton je určen vrcholovým napětím oscilačního období KV_str.

Kromě potenciálu kvant, KV_str určuje množství záření generovaného daným počtem elektronů, které padnou na anodu. Vzhledem k tomu, že celková účinnost bremsstrahlung se zvyšuje v důsledku růstu energie bombardovacích elektronů, což je určeno KV_str, pak to vyplývá z KV_str ovlivňuje účinnost zařízení.

Změna KV_str, zpravidla mění spektrum. Celková plocha pod energetickou křivkou je počet fotonů. Bez filtru je spektrum trojúhelníkem a množství záření je úměrné čtverci KV. V přítomnosti filtru zvyšuje KV také průnik fotonů, což snižuje procento filtrovaného záření. To vede ke zvýšení výtěžku záření.

Charakteristické záření

Typ interakce, který produkuje charakteristické záření, zahrnuje kolizi vysokorychlostních elektronů s orbitálními. Interakce může nastat pouze v případě, že příchozí částice mají hodnotu E_na větší než vazebná energie v atomu. Když je tato podmínka splněna a dojde ke kolizi, je elektron vyřazen. To zanechává neobsazenost naplněnou částečkou vyšší úrovně energie. Jak pohyb pohybuje, elektron dává energii vyzařovanou ve formě rentgenového kvantového. Toto se nazývá charakteristické záření, protože E foton je vlastností chemického prvku, ze kterého je anoda vyrobena. Například, když elektron s K-úrovní wolframu je vyřazen E_komunikace= 69,5 keV, volné místo je vyplněno elektronem z úrovně L s E_komunikace= 10,2 keV. Charakteristický rentgenový foton má energii rovnající se rozdílu mezi těmito dvěma hladinami nebo 59,3 keV.

Ve skutečnosti tento anodový materiál vede ke vzniku řady charakteristických rentgenových energií. Je to proto, že elektrony s různými úrovněmi energie (K, L atd.) Mohou být vyřazeny bombardováním částic a volná místa mohou být naplněna z různých energetických úrovní. Ačkoli naplnění volných míst na úrovni L vytváří fotony, jejich energie jsou příliš malé, aby se mohly používat v diagnostickém zobrazování. Každá charakteristická energie je označena označením, které označuje oběžnou dráhu, ve které se uvolnilo, s indexem, který označuje zdroj elektronové náplně. Alfa index (alfa-) označuje naplnění elektronu z úrovně L a beta (beta-) označuje náplň z úrovně M nebo N.

• Spektrum wolframu. Charakteristické záření tohoto kovu vytváří lineární spektrum skládající se z několika diskrétních energií a bremsstrahlung vytváří trvalé rozložení. Počet fotonů vytvořených každou charakteristickou energií se liší tím, že pravděpodobnost vyplnění neobsazenosti na úrovni K závisí na oběžné dráze.
• Spektrum molybdenu. Anody tohoto kovu použitého pro mamografii, vyrábět dvě dostatečně intenzivní charakteristický rentgenový energie: K-alfa v množství 17,9 keV a K-beta na 19,5 keV. Optimální rozsah rentgenových trubiček, umožňující dosažení nejlepší rovnováhy mezi kontrastem a kontrastem dávka záření pro středně velké prsy, je dosaženo pomocí E_f= 20 keV. Bremsstrahlung se však vyrábí z vysokých energií. V mamografickém zařízení se používá molybdenový filtr k odstranění nežádoucí části spektra. Filtr pracuje podle principu K-okraje. Absorbuje záření, které překračuje vazebnou energii elektronů na úrovni K atomu molybdenu.
• Spektrum rhodia. Rhodium má atomové číslo 45, a molybden - 42. Z tohoto důvodu, charakteristické rentgenové paprsky anodou rhodia bude mít o něco vyšší energii než molybdenu a pronikavější. Používá se k získání snímků hustého prsu.

Anody s dvojitým povrchem, molybden-rhodium, umožňují operátorovi volbu distribuce optimalizované pro mléčné žlázy různé velikosti a hustoty.

Vliv KV na spektrum

Hodnota KV silně ovlivňuje charakteristické záření, neboť nebude produkováno, pokud je KV menší než energie elektronů K-úrovně. Když KV překročí tuto hranici, je množství záření obvykle úměrné rozdílu mezi KV trubicí a prahovou hodnotou KV.

Energetické spektrum rentgenových fotonů emitovaných z přístroje je určeno několika faktory. Zpravidla se skládá z kvant z bremsstrahlung a charakteristické interakce.

Relativní složení spektra závisí na materiálu anody, KV a filtru. V trubici s wolframovou anodou se na KV nevzniká charakteristické záření< 69,5 keV. Při vyšších hodnotách CV použitých v diagnostických studiích výrazné záření zvyšuje celkové záření na 25%. V zařízeních s molybdenem může představovat většinu celkové generace.

Účinnost

Jen malá část energie přenášené elektrony je přeměněna na záření. Hlavní část je absorbována a přeměněna na teplo. Radiální účinnost je definována jako zlomek celkové vyzařované energie z celkové elektrické energie, hlášené anodě. Faktory, které určují účinnost rentgenové trubice, jsou aplikované napětí KV a atomové číslo Z. Přibližný poměr je následující:

• Účinnost = KV x Z x 10^-6..

Vztah mezi efektivitou a KV má specifický účinek na praktické použití rentgenového zařízení. Vzhledem k vytváření tepla mají trubky určitý limit z hlediska množství elektrické energie, kterou mohou rozptýlit. To omezuje výkon zařízení. S nárůstem KV se však množství záření vyrobené na jednotku tepla výrazně zvýší.

Závislost účinnosti generování rentgenového záření na složení anody je pouze akademický zájem, protože většina zařízení používá wolfram. Výjimkou jsou molybden a rhodium, které se používají v mamografii. Účinnost těchto zařízení je mnohem nižší než účinnost wolframu kvůli jejich nižším atomovým číslům.

Účinnost

Účinnost rentgenová trubice je definována jako množství ozáření millirentgenah dodaného do bodu v centru užitečného svazku ve vzdálenosti 1 m od ohniska na každý 1 MAS elektronů procházejících systémem. Jeho hodnota vyjadřuje schopnost zařízení přeměnit energii nabitých částic na rentgenové záření. Umožňuje určit expozici pacienta a obrázek. Jak je účinnost, účinnost zařízení závisí na několika faktorech, včetně kV, napětí tvaru vlny, anodového materiálu a na stupni povrchového poškození filtračního zařízení a v době použití.

Ovládání KV

Napětí KV účinně řídí výstupní záření rentgenové trubice. Zpravidla se předpokládá, že výstup je úměrný čtverci KV. Zdvojnásobení KV zvyšuje expozici čtyřikrát.

Forma vlny

Křivka popisuje způsob, jakým se KV v průběhu procesu generování záření mění kvůli cyklickému charakteru napájecího zdroje. Používá se několik různých průběhů. Obecným principem je toto: čím menší je tvar KV, tím účinnější je rentgenové záření. V moderních zařízeních se používají generátory s relativně konstantním KV.

Rentgenové trubice: výrobci

Oxford nástroje Firma vyrábí různá zařízení, včetně skla, zdroj energie 250 W, 4-80 kV, potenciál ohnisko 10 mikrometrů a široké škály anodových materiálů, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian nabízí více než 400 různých typů lékařských a průmyslových rentgenových trubiček. Dalšími známými výrobci jsou společnosti Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong a další.

V Rusku jsou vyráběny rentgenové trubice "Svetlana-Roentgen". Kromě tradičních přístrojů s rotační a stacionární anodou vyrábí společnost zařízení se studenou katodou řízenou světelným tokem. Výhody zařízení jsou:

• pracovat v nepřetržitých a pulzních režimech;
• bez setrvačnosti;
• regulace aktuální intenzity LED;
• čistota spektra;
• možnost získání rentgenových paprsků různé intenzity.