Както рентгенови тръби работи?

X-радиация

принцип на работа

Х-лъчеви тръби (снимка дадено в статията) са енергията. Те получават от мрежата и се превръща в други форми - проникваща радиация и топлина, като последният е нежелан страничен продукт. Рентгенова тръба устройство така, че да максимизира производството на фотони и разсейва топлината възможно най-бързо.

Тръбата е относително просто устройство, обикновено съдържащ два основни елемента - катод и анод. Когато протича ток от катода към анода, електроните губят енергия, което води до образуването на рентгенови лъчи.

анод

Анодът е компонент, при което отделянето на високоенергийни фотони произведени. Това е сравнително масивен метален елемент, който е свързан към положителния полюс на електрическата верига. Тя има две основни функции:

Видео: Схема рентгенова тръба. Редица специфични структурни тръби

• Преработва електронна енергия в рентгенови лъчи,
• Това разсейва топлината.

Материалът за анода е избран за подобряване на тези функции.

В идеалния случай, повечето от електроните трябва да формира високоенергийни фотони, а не на топлина. Съотношение на общата енергия, която се превръща в Х-лъчи (COP) зависи от два фактора:

• атомен номер (Z) на анод материал,
• електронна енергия.

В повечето рентгенови тръби като материал от анод използва волфрам, чиито атомен номер е равен на 74. В допълнение към големия Z, този метал има някои други характеристики, които го правят подходящ за тази цел. Волфрам е уникален в способността си да поддържат сила при нагряване, има висока точка на топене и ниска скорост на изпаряване.

В продължение на много години, анод е изработен от чист волфрам. През последните години ние започнахме да се използва тази метална сплав с рений, но само на повърхността. Самостоятелно анод под волфрам-рений покритие, изработен от лек материал, добра топлинна съхранение. Две такива вещества са молибден и графит.

Тръбата за рентгенова използва за мамография се прави с анода, покрити с молибден. Този материал има междинен атомен номер (Z = 42), който генерира фотони с характерна енергия, подходящи за записване на гърдите. Някои мамографски устройства имат втори анод, образуван от родий (Z = 45). Това дава възможност за увеличаване на енергията и да се постигне по-голямо проникване на плътни гърди.

Използването на волфрам-рений сплав подобрява дългосрочно радиация изход - с устройства време ефективност с анод от чист волфрам е намалена поради термично увреждане на повърхността.

Повечето от анода има формата на назъбените дискове и фиксиран към вала на двигателя, което ги върти с относително висока скорост по време на емисия Рентгенови лъчи. Целта на ротацията - премахването на топлина.

фокусна точка

поколение част рентгенова не цялата анода. Той се среща в една малка част от повърхността й - фокусната място. Размери миналата определят размера на електронния лъч, идващ от катода. В по-голямата част от нея е с правоъгълна форма, варира в рамките на 0,1-2 мм устройства.

тръба дизайн рентгенова с определен размер на фокусното място. Колкото по-малък е той, толкова по-малко Motion Blur и по-висока острота, и това, което е повече, по-добре на разсейване на топлината.

Координационно размер място е фактор, който трябва да се вземат предвид при избора на рентгенова тръба. Производителите произвеждат устройства с малък фокусна точка, когато това е необходимо за постигане на висока разделителна способност и достатъчно малък, за радиация. Например, той е длъжен в изследването на малки и деликатни части на тялото, като в мамография.

Тръбата за рентгенова произвеждат основно фокусни точки с два размера - малки и големи, които могат да бъдат избрани от оператора в съответствие с процедурата формиране на изображение.

катод

Основната функция на катода - да генерира електрони и за събирането им в лъч насочен към анода. Той обикновено се състои от малък спирала тел (с нажежаема жичка) вградени в чашкообразната вдлъбнатина.

Електроните, преминаващи през веригата обикновено не могат да оставят на проводника и да оставят свободно място. Въпреки това, те могат да го направят, ако получат достатъчно енергия. В процес, известен като топлинна емисии, топлината, използвана за изгонване на електрони от катода. Това става възможно, когато налягането в евакуира рентгенова тръба достигне 10^-6-10^-7 mm Hg. Чл. Преждата се загрява по същия начин, както лампа спираловидна нишка чрез преминаване на ток през него. Работа електронно лъчевата тръба се придружава от нагряване до температура луминисценция изместване топлинна енергия от тях електрони.

балон

Анода и катода се съдържат в запечатан корпус - цилиндър. Балонът и съдържанието му често са посочени като вложка, която има ограничен живот и може да бъде заменен. Тръбата за рентгенова обикновено имат стъклена колба, въпреки метални и керамични цилиндри, използвани за някои приложения.

Основната функция на балона е да осигури подкрепа и изолация анод и катод, и поддържане на вакуум. Налягането в евакуира рентгенова тръба при 15 ° С е 1,2middot-10^-3 Pa. Наличието на газ в резервоара ще позволи на ток да тече през устройството свободно, а не само под формата на електронен лъч.

жилище

апарат рентгенова тръба, така че, в допълнение към корпуса и подкрепата на други компоненти, служи като орган щит и абсорбира радиацията, с изключение на полезен лъч, минаваща през прозореца. Сравнително голяма външна повърхност разсейва-голямата част от топлината, генерирана в устройството. Пространството между корпуса и вложката е напълнен с масло, което осигурява изолация и охлаждане.

верига

Електрическата верига се свързва телефона към източник на захранване, който се нарича генератор. Източник се захранва от мрежата и преобразува променливия ток в постоянен ток. Генераторът също ви позволява да настроите някои параметри на веригата:

• KV - напрежение или токов потенциал;
• MA - ток, който протича през тръбата;
• S - продължителност или излагане на времето, в части от секундата.

Схемата предвижда движението на електрони. Те са обвинени в енергия, която минава през генератора, и да го дам на анода. Както движението им настъпва две трансформации:

Видео: CRT - катодната тръба

• електрически потенциалната енергия се превръща в кинетична енергия;
• кинетична на свой ред се превръща в рентгенови лъчи и топлина.

потенциал

Когато електроните пристигат в колбата, те притежават потенциал електрическа енергия, която се определя от размера на KV напрежение между анода и катода. Тръбата за рентгенова работи при напрежение за генериране на един KV което всяка частица трябва да има една КЕВ. Чрез регулиране на KV, операторът дава възможност на всеки електрон е определено количество енергия.

кинетика

Ниско налягане в евакуира рентгенова тръба (при 15 ° С е 10^-6-10^-7 mm Hg. об.) позволява частиците под действието на излъчване и катод електрическа сила, излъчвана от катода към анода. Тази сила ги ускорява, което води до увеличаване на скоростта и кинетична енергия и низходящ потенциал. Когато една частица се приземява върху анода, неговия потенциал се губи, и цялата си енергия се превръща в кинетична енергия. 100-КЕВ електрон достига скорост над половината със скоростта на светлината. Постигане на повърхността на частицата се забавя много бързо и губят своята кинетична енергия. Тя се обръща към рентгенови лъчи или топлина.

Електроните влизат в контакт с отделните атоми на анод материал. Излъчване, генерирано от тяхното взаимодействие с орбитали (рентгенови фотони), и със сърцевина (стационарно облъчване).

енергията на свързване

Всеки електрон на атом има определена свързване енергия, която зависи от размера на последните и нивото, на което се намира на частицата. свързваща енергия играе важна роля в генерирането на характерни рентгенови лъчи и е необходима за отстраняване на електрон от атом.

стационарно облъчване

Стационарно облъчване произвежда най-голям брой фотони. Електроните проникват в анод материал и удължаване в близост до ядрото, отклонените и забавя гравитационната сила атом. Тяхната енергия губи по време на тази среща се появява под формата на рентгенов фотон.

диапазон на

Само няколко фотони имат енергия в близост до електронна енергия. По-голямата част от тях е по-ниска. Да приемем, че има място или област, заобикаляща ядрото, където електрони опит сила на "инхибиране". Това поле може да бъде разделена на зони. Това дава оглед на сърцевината поле на целевата атом в центъра. Електронен падане всяка точка на целта се забави и генерира рентгеново един фотон. Частиците, които падат най-близо до центъра на града, са най-силно изложени и поради това губят най-много енергия, производство на много високо енергийни фотони. Електроните са пуснати на извън зоната, изпитват повече слабите взаимодействия и генериране на фотони на по-ниска енергия. Въпреки, че областта има същата дължина, че те имат различна площ в зависимост от разстоянието от ядрото. Тъй като броят на частиците инцидент на зоната, зависи от общата му площ, очевидно е, че външната част улови повече електрони и да причини повече фотони. рентгенова спектър може да се предвиди от този модел.

E_макс фотони основната стационарно облъчване спектър съответства E_макс електрони. Под тази точка, с намаляване на фотонна енергия увеличава техния брой.

Значителен брой фотони на ниска енергия, абсорбирана или филтрува, като се опитват да премине през повърхността на тръбата за анод или кутия филтъра. Филтриране обикновено зависи от състава и дебелината на материала, през който преминава светлина и това определя крайната форма на кривата на ниско-енергиен спектър.

влияние KV

Високата енергия част на спектъра определя напрежение рентгенови тръби в кВ (kilovolt). Това е така, защото тя определя енергията на електроните достигат анода и фотони не могат да имат потенциал по-големи от тази. При всяко напрежение работи рентгенова тръба? Максималната фотон енергия отговаря на максималната прилага потенциал. Това напрежение може да варира по време на експозиция се дължи на променлив ток мрежа. В този случай, E_макс фотонни определен период пикови KV колебания на напрежението_р.

В допълнение към потенциалния квантите, KV_р Той определя размера на излъчване, генерирано от определен брой електрони, достигащи анода. Тъй като общата ефективност на стационарно облъчване радиация се увеличава с енергия се увеличава инцидент електрони, които се определя KV_р, следва, че KV_р Това се отразява на ефективността на устройството.

промяна KV_р, Като правило, тя се променя спектъра. Общата площ под кривата на енергия представлява броя на фотоните. Нефилтрирани спектър е триъгълник, както и количеството на излъчване пропорционално на квадратен Кв. В присъствието на филтъра увеличава KV увеличаване проникването на фотони, което намалява процентът на филтрува радиация. Това води до повишаване на добива на радиация.

характеристика радиация

Видът на взаимодействие, което генерира характеристика лъчение включва високоскоростен сблъсък с орбитални електрони. Реакцията може да се извърши само когато входящия частицата има E_за по-голяма от енергията на атома. Когато това условие е изпълнено, и е налице сблъсък на електрона е нокаутиран. Това оставя отворена позиция, заета от частицата по-високо ниво на енергия. Тъй като ние се движат електрони дава енергия, излъчвана под формата на рентгенов фотон. Това се нарича характеристика излъчване, тъй като Е е фотон характеристика химичен елемент от който е направена анода. Например, когато електрон е отстранен волфрам K-ниво E_{общуване}= 69.5 КЕВ вакантно е запълнена с електрони от L-ниво E_{общуване}= 10.2 КЕВ. Характерно рентгенова фотонна енергия е равна на разликата между двете нива, или 59.3 KeV.

В действителност, анод материал води до редица характерни рентгенови енергии. Това се случва, защото електрони при различни нива на енергия (К, L, и т.н.) може да се събори бомбардиране частици и местата могат да бъдат напълнени с различни нива на енергия. Докато L-ниво места генерира фотони и техните източници са твърде малки, за използване при образна диагностика. Всяка характеристика енергия се дава наименование, което показва орбитала, където свободно място, с индекс, който показва изисква източник на свободни електрони. алфа (алфа) обозначава индекса на пълнене електрон L-ниво, и бета (бета) показва нивото на запълване на М или N.

• Спектър волфрам. Характерните излъчване на метала произвежда линеен спектър, състояща се от няколко отделни източници и спиране генерира непрекъснато разпределение. Броят на фотони, създадени от всяка характеристика на енергия, характеризиращ се с това, че вероятността за запълване на К-ниво вакантно зависи от орбитала.
• Спектър молибден. Аноди на този метал, използван за мамография, произвеждат две достатъчно интензивно характерна рентгенова енергия: К-алфа при 17.9 КЕВ и K-бета при 19.5 КЕВ. Оптималният диапазон на рентгенови тръби, което позволява да се постигне най-добър баланс между контраста и радиационна доза на гърдата със среден размер, се постига, когато Е_е= 20 КЕВ. Въпреки това стационарно облъчване произвеждат повече енергия. В мамография оборудване за отстраняване на нежелани части на спектъра, използван молибден филтър. Филтърът работи на принципа на «K-край." Той абсорбира радиация в свързващ енергия на молибден атом K-ниво излишък на електрони.
• Спектърът на родий. Родий има атомен номер 45, и молибден - 42. Следователно, характерни рентгенови лъчи на родиев анод ще имат малко по-висока енергия от тази на молибден и повече проникваща. Той се използва за възпроизвеждане на изображения, плътни гърди.

Аноди с двойни повърхностни части, молибден, родий, дават възможност на оператора да избере разпределение оптимизиран за гърди с различен размер и плътност.

Ефектът на KV спектър

KV стойност значително влияе на характеристика радиация, т.е.. К. не ще се произвежда по-малко, ако KV електрони ниво K-енергия. Когато KV надвишава тази прагова стойност, количеството радиация обикновено е пропорционална на разликата и тръба KV праг КВ.

енергийния спектър на фотони на рентгенов лъч, излъчвани от устройството се определя от няколко фактора. Като правило, се състои от стационарно облъчване и характеристика взаимодействието.

Относителната състава на спектъра зависи от анод материал, KV и филтъра. В тръба с характеристика на емисиите волфрамов анод не се образува при KV< 69,5 кэВ. При более высоких значениях КВ, используемых в диагностических исследованиях, характеристическое излучение увеличивает суммарную радиацию до 25%. В молибденовых устройствах оно может составить большую часть общего объема генерации.

производителност

Само малка част от енергията, доставена от електроните се превръща в радиация. Основната фракция се абсорбира и се превръща в топлина. радиация ефективност се определя като фракция от общия излъчена мощност от общото електрическо предава анод. Факторите, които определят ефективността на рентгенова тръба се прилагат напрежение KV и атомен номер Z. приблизителното съотношение на следното:

• Ефикасността = KV х Z х 10^-6.

Връзката между ефективност и KV има специфичен ефект върху практическото използване на рентгенов оборудване. Поради поколение на топлина на тръбата има ограничение за броя на електрическа енергия, която те могат да се разсее. Това налага на капацитета на ограниченията на устройството. С увеличаване на KV, обаче, количеството на радиация, създадена от един от топлина значително увеличава.

Зависимостта на ефективността на създаване на рентгенова за състава на анода е само на академичен интерес, защото повечето устройства, използвани волфрам. Изключение е молибден и родий, използвани в мамограма. Ефективност на тези устройства е значително по-ниска от волфрам поради своята по-ниска атомен номер.

ефикасност

Ефикасността рентгенова тръба се определя като количеството на облъчване millirentgenah доставени до точка в центъра на полезния лъч на разстояние 1 m от фокусното място за всеки 1 MAS електрони преминават през устройството. Неговата стойност представлява способността на устройство за преобразуване на енергията на заредените частици в рентгенова радиация. Тя ви позволява да се определи експозицията на пациента, и кадърът. Както ефективност, ефективност на устройството зависи от няколко фактора, включително KV, под формата на напрежение вълна, анодната материал и степента на увреждане на повърхността на филтъра устройство и момента на използване.

KV-управление

Напрежение KV рентгенова тръба ефективно контролира изходния радиация. Като правило, се приема, че изходът е пропорционална на квадрата на кв. Удвояване на експозицията KV увеличава 4 пъти.

форма на вълната

На вълната описва начина, по който KV варира с времето по време на генерирането на радиация поради цикличния характер на мощност. Използвани няколко различни вълни. Общият принцип е: по-малката промяна в форма KV, рентгеново лъчение се произвежда ефективно. Модерното оборудване, използвани генератори с относително постоянен КВ.

Х-лъчеви тръби: Производители

Oxford Instruments Company произвежда различни устройства, включително стъкло, енергия 250 W, потенциал 4-80 кВ, на фокална точка 10 микрона и широка гама от анодни материали, т. Н. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian предлага над 400 различни видове медицински и индустриални рентгенови тръби. Други известни производители са Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong и сътр.

В Русия, произведени рентгеновите тръби "Светлана-Рентгенофлуоресцентни". В допълнение към традиционните устройства с въртящи се и стационарни анод компания произвежда устройства от студен катод светлинен поток на контролирани. Предимства на следните устройства:

• работят в непрекъснат и импулсни режими;
• отсъствие на инертност;
• регулиране на интензитета на LED ток;
• чистота спектър;
• възможността на рентгенови лъчи с различна интензивност.