Kao rendgenske cijevi radi?

X-zrake stvara pretvaranjem energiju elektrona da fotona, koji se javlja u X-zracima. Količina (izloženost) i kvaliteta (spektar) zračenje se može prilagoditi promjenom struje, napona i vremena instrumenta.

princip rada

Rendgenske cijevi (foto date u članku) su energetski pretvarača. Oni primaju ga iz mreže i pretvara u druge oblike - prodire zračenja i topline, potonji je nepoželjan nusprodukt. X-ray tube uređaj takav da maksimizira proizvodnju fotona i rasipa toplotu što je brže moguće.

Cijev je relativno jednostavan uređaj, obično se sastoji od dva osnovna elementa - katode i anode. Kada struja teče od katode prema anodi, elektroni gube energiju, što dovodi do generacije X-zraka.

anoda

Anoda je komponentu, pri čemu je emisija visoke energije fotona proizvedena. Ovo je relativno masivni metalni element koji je spojen na pozitivni pol električni krug. Ona ima dvije glavne funkcije:

• Ona pretvara energiju elektrona u X-ray zračenja,
• To smanjuje toplotu.

Materijal za anode je izabran za poboljšanje ove funkcije.

U idealnom slučaju, većina elektrona formira visoke energije fotona, a ne topline. Odnos ukupne energije, koja se pretvara u X-zračenja (COP) zavisi od dva faktora:

• atomski broj (Z) anode materijala,
• elektron energije.

U većini rendgenske cijevi kao materijal anode koriste volfram, čiji je atomski broj je jednak 74. Pored velikih Z, ovaj metal ima neke druge karakteristike koje čine ga pogodnim za tu svrhu. Volfram je jedinstvena u svojoj sposobnosti da zadrži snagu kada se zagrije, ima visoku topljenja i nisku stopu isparavanja.

Već dugi niz godina, anoda je napravljen od čistog volframa. U posljednjih nekoliko godina, počeli smo da biste koristili ovu metalne legure sa renijum, ali samo na površini. Self anoda pod volfram-renijum premaz napravljen od lakog materijala, dobro termički pohranu. Dva takva supstance su molibden i grafita.

cijev X-ray za mamografija, je napravljen od anoda, obložen molibden. Ovaj materijal ima srednji atomski broj (Z = 42), koji stvara fotoni s karakterističnim energije, pogodan za snimanje grudi. Neki mamografija uređaji imaju i drugi anoda, formiran od rodija (Z = 45). Zbog toga je moguće da se poveća energije i postizanja veće penetracija za gustim tkivom dojke.

Korištenje volfram-renijum legure poboljšava dugoročno zračenja izlaz - sa uređajima efikasnost vremena sa anode od čistog volframa je smanjena zbog termičkog oštećenja na površinu.

Većina anoda ima oblik stanjeni diskova i pričvrstiti na osovinu motora, što ih rotira po relativno visokim brzinama u vrijeme emisije X-zraka. Svrha rotacije - uklanjanje topline.

žarišna točka

X-ray generacija dio koji nije čitav anoda. Javlja se u malom prostoru njegove površine - fokalna mjesto. Dimenzije posljednji određuje veličinu snop elektrona koji dolaze iz katode. U većini ima pravokutnog oblika varira unutar mm uređaje 0,1-2.

X-ray tube dizajn sa određenim veličine fokusne tačke. Manji je, manje zamućenja pokreta i veće oštrine, i što je više, to bolje odvođenje topline.

Focal veličine spot je faktor koji se mora uzeti u obzir prilikom odabira rendgenske cijevi. Proizvođači proizvoditi uređaje sa malim fokalna točka, gdje je potrebno postići visoku rezoluciju i dovoljno mali zračenja. Na primjer, potrebno je u studiji malih i delikatnim dijelovima tijela kao u mamografiji.

X-ray tube uglavnom proizvode fokusnih tačaka u dvije veličine - velikih i malih, koji mogu biti odabrani od strane operatora u skladu sa postupkom formiranja slike.

katoda

Glavna funkcija katode - za generiranje elektrona i prikupljanje ih u zrak usmjerena na anoda. Uglavnom se sastoji od malog spiralnom žicom (filament) ugrađen u kup-obliku odmora.

Elektroni prolazi kroz krug ne može normalno napustiti dirigent i ostavili slobodan prostor. Međutim, oni to mogu, ako dobiju dovoljno energije. U proces poznat kao termalna emisija, toplota koristi da protjeraju elektrona iz katode. Ovo postaje moguće kada pritisak u evakuirano rendgen cijev dostigne 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. Art. Prediva se grije na isti način kao spirala filament lampa donošenjem struja preko njih. Rada katodne cijevi je u pratnji grijanje na temperaturu luminiscencije zapremine toplinske energije iz toga elektrona.

balon

Anode i katode su sadržani u zatvorenoj kućištu - cilindra. Balon i njegov sadržaj se često naziva kao podlistak, koji ima ograničen život i mogu se zamijeniti. X-ray tube generalno imaju staklene ampule, iako metala i keramike boce koje se koriste za neke aplikacije.

Glavna funkcija je da podrži posudu i izolaciju od anode i katode, i održavanje vakuuma. Pritisak u evakuirano rendgen cijev na 15 ° C je 1,2 × 10 ^-3 Pa. Prisustvo gasa u rezervoaru bi omogućio struju da teče kroz uređaj slobodno, a ne samo u obliku elektronskog snopa.

kućište

X-ray tube aparat tako da, pored ograde i podršku ostalih komponenti, služi kao štit tijelo i upija zračenja, osim korisnih zrak prolazi kroz prozor. Njegova relativno velike vanjske površine rasipa najviše toplote u uređaju. Prostor između školjke i umetak je ispunjen uljem koje pruža izolaciju i hlađenja.

lanac

Električno kolo povezuje telefona na izvor napajanja koji se zove generator. Izvor se napaja iz mreže i pretvara naizmenične struje usmjeriti struju. Generator omogućuje vam da podesite neke parametre lanca:

• KV - napona ili električnog potencijala;
• MA - struje koja teče kroz cijev;
• S - trajanje ili izloženosti vremena, u deliću sekunde.

Kolo daje kretanje elektrona. Oni se terete za energijom, prolazeći kroz generator, i dati mu do anode. Kao što je njihovo kretanje se javlja dva transformacije:

• električna potencijalna energija se pretvara u kinetičku energiju;
• kinetičke, s druge strane, se pretvara u X-ray zračenja i topline.

potencijal

Kada se elektroni stignu u bocu, oni imaju potencijal električne energije, koji je određen iznos KV napon između anode i katode. X-ray tube je operisan pri naponu za generiranje 1 KV kojih svaka čestica mora imati 1 keV. Podešavanjem KV, operator daje svaki elektron je određenu količinu energije.

kinetika

Nizak tlak u evakuirano x-zracima (na 15 ° C je 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. V.) Omogućuje čestice pod djelovanjem emisije i termojonske električne snage emituje iz katode na anodu. Ova sila ih ubrzava, što je dovelo do povećanja brzine i kinetička energija i potencijal opadajuće. Kada čestica zemljišta na anoda, njegov potencijal je izgubljen, i svu svoju energiju pretvara u kinetičku energiju. 100-keV elektrona dostiže brzinu veću od pola brzine svjetlosti. Postizanje površina čestica je vrlo brzo usporava i gube svoju kinetičku energiju. Ona se pretvara u X-zraka ili topline.

Elektroni dolaze u kontakt sa pojedinačnim atomima anoda materijala. Zračenje generišu njihove interakcije s orbitale (X-ray fotona), i sa jezgrom (kočenja).

energije vezivanja

Svaki elektron u atomu ima određenu obavezujuće energije, što ovisi o veličini ovog drugog i nivo na kojem je čestica se nalazi. Energije vezivanja igra važnu ulogu u stvaranju karakterističnog X-zraka i potrebna da se ukloni elektron iz atoma.

kočenja

Bremsstrahlung proizvodi najveći broj fotona. Elektroni prodiru u anoda i širenje blizu nukleus, blokirati i usporen gravitacijska sila atoma. Njihova energija izgubljena tokom ovog sastanka se pojavljuje u obliku X-ray fotona.

raspon

Samo nekoliko fotona imati energetski blizu energije elektrona. Većina njih je niži. Pretpostavimo da postoji prostor ili polje okružuje jezgru, pri čemu elektroni iskustvo sile "inhibicija". Ovo polje može se podijeliti na zone. To daje pogled na polje jezgra ciljne atoma u centru. Elektronski pada bilo gdje u ciljnoj se usporava i stvara X-ray fotona. Čestice koje padaju najbliže centru, su najviše izložene i zbog toga gubi najviše energije, proizvodi vrlo visoke energije fotona. Elektroni ulaska u vanjskom zonu doživljava slaba interakcija i stvaraju fotoni niže energije. Iako na području imaju istu širinu, da imaju različite površine ovisno o udaljenosti od jezgra. S obzirom da je broj incidenta čestica na zonu, zavisi od njegove ukupne površine, očigledno je da je vanjski područje snimanje više elektrona i uzrokovati više fotona. energija X-ray spectrum može predvidjeti ovaj model.

E _max fotoni glavni bremsstrahlung spektra odgovara E _max elektrona. Ispod ovom trenutku, sa smanjenjem foton energije povećava njihov broj.

Značajan broj fotona niske energije apsorbira ili filtriran, dok pokušavaju da prođe kroz površinu anode cijevi ili kutija filter. Filtriranje je uglavnom zavisi od sastava i debljine materijala kroz koje zrak prolazi, a to određuje konačni oblik krive spektra niskoenergetskih.

utjecaj KV

Visoko-energetski dio spektra određuje napon rendgenske cijevi u kV (kilovolti). To je zato što određuje energija elektrona postizanje anoda, a fotoni ne mogu imati potencijal veći od ovoga. Ni pod kojim napon trčanje X-ray tube? Maksimalna energija fotona odgovara maksimalnoj primjenjuje potencijal. Ovaj napon može varirati tokom ekspozicije zbog naizmenične struje mreže. U ovom slučaju, E _max Vršni napon određuje fotona oscilacija periodu KV _str.

Potencijal za dalji kvanti, KV _p određuje količina zračenja stvara određeni broj elektrona dostizanja anoda. Od ukupne efikasnosti kočenja zračenja povećava se energija raste incident elektrona, koji se određuje KV _p, to znači da je KV _p utiče na efikasnost uređaja.

Mijenjanje KV _p, obično mijenja spektra. Ukupna površina ispod krivulje energije predstavlja broj fotona. Unfiltered spektar je trokut, a iznos od zračenja u odnosu na trgu KV. U prisustvu filtera povećava KV povećanje penetracije fotona, što smanjuje procenat filtrirane radijacije. To dovodi do povećanja prinosa zračenja.

karakteristika zračenja

Vrstu interakcije koja proizvodi karakterističan zračenje se sastoji od velike brzine sudara sa orbitalnim elektrona. Interakcija može dogoditi samo kada je dio E _čestice ima veću od energije vezivanja atoma. Kada se ovaj uslov ispunjen, a tu je i sudara, elektron je nokautirao. To ostavlja otvorenu poziciju, popunjava čestica na viši nivo energije. Kako se krećemo elektrona daje energiju emituje u obliku X-ray fotona. To se zove karakteristika zračenja, jer je E foton karakterističan hemijski element od kojeg je napravljen anoda. Na primjer, kada elektron je pokucao K volfram sloj _veze sa E = 69,5 keV, konkurs je ispunjen jedan elektron iz _komunikacije L-level sa E = 10.2 keV. Karakteristične X-ray foton ima energiju koja je jednaka razlici između dva nivoa, ili 59,3 keV.

U stvari, anoda vodi do brojnih karakterističnih X-zraka energije. To se dešava zato što elektroni na različitim nivoima energije (K, L, itd) može da se ukuca bombardiranjem čestica i radnih mjesta mogu biti ispunjen različitim nivoima energije. Dok je slobodnih radnih mjesta L-nivou generiše fotona i svoju energiju su premala za upotrebu u dijagnostičke slike. Svaka karakteristika energija dobija oznaku koja ukazuje na orbitalni, u kojoj slobodno radno mjesto, s indeksom koji pokazuje izvor elektrona potrebno. alfa (α) označava indeks popunjavanja elektron iz L nivoa, i beta (β) ukazuje na nivo punjenja M ili N.

• Spectrum volfram. Karakteristika zračenje metala stvara linearni spektar koji se sastoji od nekoliko diskretnih energija i kočenja stvara kontinuirano distribucije. Broj fotona stvara svake karakteristike energije, naznačen da je vjerovatnoća popunjavanja upražnjenog mjesta K-nivo zavisi od orbitalne.
• Spectrum molibden. Anode ovog metala koji se koriste za mamografiju, proizvesti dva dovoljno snažna karakteristična x-ray energija: K-alfa na 17,9 keV i K-beta 19,5 keV. Optimalni raspon rendgenske cijevi, što omogućava da se postigne najbolju ravnotežu između kontrasta i zračenje doza za prosječnu veličinu grudi postići na E _p = 20 keV. Međutim Bremsstrahlung proizvoditi više energije. U mamografiju za uklanjanje neželjenih dijelova spektra upotrijebili filtar molibden. Filter radi na principu «K-ruba." Upija zračenja u višak elektrona energije vezivanja na molibden atom K-nivou.
• Spektar rodija. Rodij ima atomski broj 45, i molibden - 42. Dakle, karakterističnog X-zrake rodij anoda će imati nešto veću energetsku nego molibden i prodorniji. Koristi se za slikanje gustim tkivom dojke.

Anode s bračnim površina, molibden, rodij, omogućava operateru da izaberete distribucije optimizirane za grudi različite veličine i gustoće.

Učinak na KV spektra

KV vrijednost znatno utječe na karakteristične zračenja, tj. K. To se neće proizvoditi ako manje KV elektrone nivo K-energije. Kada KV prelazi ovaj prag vrijednosti, u iznosu od zračenja je obično proporcionalna razlici i prag KV cijev KV.

Energetski spektar fotona X-zraka emituje iz uređaja određuje nekoliko faktora. Po pravilu, sastoji se od kočenja i karakteristične interakcije.

Relativni sastav spektra zavisi od materijala anode, KV i filtera. U tubi sa volfram anodom, karakteristično zračenje se ne formira na KV <69,5 keV. Kod veće vrednosti CV-a korišćene u dijagnostičkim studijama, karakteristično zračenje povećava ukupno zračenje na 25%. U molibdenskim uređajima može se računati većina ukupne generacije.

Efikasnost

Samo mali deo energije koju isporučuju elektroni pretvaraju se u zračenje. Glavni deo se apsorbuje i pretvara u toplotu. Efikasnost zračenja je definisana kao deo ukupne zračne energije iz ukupne električne energije koja se isporučuje na anodu. Faktori koji određuju efikasnost rendgen cijevi su primijenjeni napon KV i atomski broj Z. Približni odnos je sljedeći:

• Efikasnost = KV x Z x 10 ^-6 .

Odnos između efikasnosti i KV ima specifičan efekat na praktičnu upotrebu rendgenske opreme. Zbog stvaranja toplote, cevi imaju određenu granicu u količini električne energije koju mogu rasipati. Ovo nameće ograničenje snage uređaja. Međutim, s povećanjem KV, količina proizvedene zračenja po jedinici toplote značajno se povećava.

Zavisnost efikasnosti proizvodnje rendgenskih zraka na anodnom sastavu je jedino akademski interes, pošto većina uređaja koristi volfram. Izuzeci su molibden i rodijum, koji se koriste u mamografiji. Efikasnost ovih uređaja je znatno niža od volframa zbog njihovog niži atomski broj.

Efektivnost

Efikasnost rentgenske cevi je definisana kao količina zračenja u milijentima koja se isporučuje do tačke u centru korisnog zraka na udaljenosti od 1 m od fokalne tačke za svakih 1 mA elektrona koji prolaze kroz instrument. Njegova vrednost izražava sposobnost uređaja da pretvori energiju napunjenih čestica u rentgensko zračenje. Omogućava vam da odredite izlaganje pacijenta i slike. Kao i EFIKASNOST, efikasnost uređaja zavisi od brojnih faktora, uključujući KV, talasnog napona, anodnog materijala i stepena oštećenja njegove površine, filtera i vremena upotrebe uređaja.

KV Control

Napon KV efikasno kontroliše izlazno zračenje rendgen cijevi. Po pravilu se pretpostavlja da je izlaz proporcionalan kvadratu KV. Dupliranje KV povećava ekspoziciju za 4 puta.

Oblik talasa

Oblik talasa opisuje način na koji KV varija sa vremenom tokom generacije zračenja zbog ciklične prirode napajanja. Koriste se nekoliko različitih talasnih oblika. Opšti princip je ovo: što je manji oblik KV-a, proizvede se efikasnije rentgensko zračenje. U modernoj opremi koriste se generatori sa relativno konstantnim KV.

Rendgenske cijevi: proizvođači

Oxford Instruments proizvodi različite uređaje, uključujući staklene materijale snage do 250 W, potencijal 4-80 kV, fokusno mjesto do 10 mikrona i širok spektar anodnih materijala, uključujući Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

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

U Rusiji se proizvode rendgenske cevi "Svetlana-Roentgen". Pored tradicionalnih uređaja sa rotirajućom i stacionarnom anodom, kompanija proizvodi uređaje sa hladnom katodom, kontrolisanom svetlosnim fluksom. Prednosti uređaja su:

• Rad u kontinuiranim i impulsnim modovima;
• Nedostatak inercije;
• Regulisanje trenutnog intenziteta LED;
• Čistoća spektra;
• Mogućnost dobivanja rendgenskih zraka različitog intenziteta.