Com els tubs de raigs X treballar?

Els raigs X es van generar mitjançant la conversió de l'energia dels electrons als fotons, que es produeix en el tub de raigs X. Quantitat (exposició) i la radiació de qualitat (espectre) es poden ajustar canviant la corrent, voltatge i temps de l'instrument.

principi de funcionament

tubs de raigs X (foto donat en l'article) són convertidors d'energia. La reben des de la xarxa i es converteixen en altres formes - radiació i calor penetrant, l'últim és un subproducte indesitjable. De raigs X dispositiu de tub de tal manera que maximitza la producció de fotons i dissipa la calor tan ràpidament com sigui possible.

El tub és un dispositiu relativament simple, que comprèn típicament dos elements bàsics - un càtode i un ànode. Quan el corrent flueix des del càtode a l'ànode, els electrons perden energia, el que condueix a la generació de raigs-X.

ànode

L'ànode és un component, en què l'emissió de fotons d'alta energia produïda. Aquest és un element de metall relativament massiva, que està connectat al pol positiu del circuit elèctric. Té dues funcions principals:

• Es converteix l'energia dels electrons en la radiació de raigs X,
• Es dissipa calor.

El material per l'ànode es selecciona per millorar aquestes funcions.

Idealment, la major part dels electrons han de formar un fotons d'alta energia, en comptes de calor. Ràtio de l'energia total, que es converteix en radiació X (COP) depèn de dos factors:

• nombre atòmic (Z) del material d'ànode,
• energia dels electrons.

En la majoria dels tubs de raigs x com un material de l'ànode utilitzat tungstè, el nombre atòmic és igual a 74. A més de la gran Z, aquest metall té altres característiques que fan que sigui adequat per a aquest propòsit. El tungstè és únic en la seva capacitat per mantenir la força quan s'escalfa, té un alt punt de fusió i una velocitat d'evaporació baixa.

Durant molts anys, l'ànode està fet de tungstè pur. En els últims anys, vam començar a utilitzar aquest aliatge metàl·lica amb reni, però només en la superfície. Acte ànode sota el recobriment de tungstè-reni feta de material lleuger, bona d'emmagatzematge de calor. Dues d'aquestes substàncies són molibdè i grafit.

El tub de raigs X utilitzat per a la mamografia, es fa amb l'ànode, recobert amb molibdè. Aquest material té un nombre intermedi atòmic (Z = 42), que genera fotons amb energia característica, adequats per a l'enregistrament de pit. Alguns dispositius de mamografia també tenen un segon ànode, format a partir de rodi (Z = 45). Això fa que sigui possible augmentar l'energia i aconseguir una major penetració de mames denses.

L'ús de l'aliatge de tungstè-reni millora el llarg termini sortida de radiació - amb dispositius de l'eficiència del temps amb ànode de tungstè pur es redueix a causa de dany tèrmic a la superfície.

La major part de l'ànode té la forma dels discos cònics i es fixa a l'eix del motor, el que els fa girar a velocitats relativament altes en el moment de l'emissió de raigs-X. El propòsit de la rotació - l'eliminació de calor.

punt focal

La part de generació de raigs X no tot l'ànode. Es presenta en una petita àrea de la seva superfície - el punt focal. Dimensions determinades últim mida del feix d'electrons procedents del càtode. En la majoria dels que té una forma rectangular varia dins dels dispositius de 0,1-2 mm.

El disseny del tub de raigs X amb una certa mida de la taca focal. Com més petit és, com menys desenfocament de moviment i una major nitidesa, i el que és més, la millor dissipació de la calor.

mida de punt focal és un factor que s'ha de considerar l'hora de triar el tub de raigs X. Els fabricants produeixen dispositius amb punt focal petit, on és necessari per aconseguir la radiació prou petit i alta resolució. Per exemple, es requereix en l'estudi de peces petites i delicades del cos com en la mamografia.

El tub de raigs X produeixen principalment punts focals amb dues mides - grans i petites, que poden ser seleccionats per l'operador d'acord amb el procediment de formació d'imatges.

càtode

La funció principal del càtode - per generar electrons i la seva recollida en un feix dirigit a l'ànode. En general, consisteix en un petit filferro en espiral (filament) incrustat en una escotadura en forma de copa.

Els electrons que passen a través del circuit normalment no poden deixar el conductor i deixar un espai lliure. No obstant això, ells poden fer-ho, si tenen prou energia. En un procés conegut com emissió tèrmica, la calor utilitzat per expulsar els electrons des del càtode. Això es fa possible quan la pressió en un tub de raigs x evacuat arriba als 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. Art. El fil s'escalfa en la mateixa manera que un llum de filament en espiral fent passar un corrent a través seu. tub de raigs catòdics de treball està acompanyat per escalfament a una temperatura de luminescència desplaçament energia tèrmica dels mateixos els electrons.

globus

L'ànode i el càtode estan contingudes en un allotjament segellat - cilindre. El globus i el seu contingut es refereixen sovint com una peça d'inserció, que té una vida limitada i pot ser reemplaçat. El tub de raigs x tenen generalment un bulb de vidre, encara que metall i ceràmica cilindres usats per a algunes aplicacions.

La funció principal és per suportar el recipient i l'aïllament de l'ànode i el càtode, i el buit es manté. La pressió en el tub de raigs X evacuat a 15 ° C és de 1,2 × 10 ^-3 Pa. La presència de gas en el tanc permetria que l'electricitat flueixi a través del dispositiu lliurement, no només en la forma d'un feix d'electrons.

habitatges

aparell de tub de raigs X de tal manera que, a més de la carcassa i el suport d'altres components, que serveix com un cos de protecció i absorbeix la radiació, a excepció del feix útil passa a través de la finestra. La seva relativament gran superfície externa dissipa la major part de la calor generada en el dispositiu. L'espai entre la carcassa i l'insert està ple d'oli que proporciona un aïllament i refredar-lo.

cadena

El circuit elèctric es connecta el telèfon a una font d'energia, que es diu un generador. Font s'alimenta des de la xarxa i converteix el corrent altern en corrent continu. El generador també li permet ajustar alguns paràmetres de la cadena:

• KV - tensió o potencial elèctric;
• MA - corrent que flueix a través del tub;
• S - durada o temps d'exposició, en fraccions de segon.

El circuit proporciona el moviment dels electrons. Se'ls acusa d'energia, que passa a través del generador, i li donen a l'ànode. Com el seu moviment es produeix dos transformacions:

• energia potencial elèctrica es converteix en energia cinètica;
• cinètica, al seu torn, es converteix en la radiació de raigs X i la calor.

potencial

Quan els electrons arriben al matràs, que posseeixen el potencial d'energia elèctrica, que es determina per la quantitat de voltatge KV entre l'ànode i el càtode. El tub de raigs X es va fer funcionar a un voltatge per generar 1 kV que cada partícula ha de tenir 1 keV. Mitjançant l'ajust de la KV, l'operador dóna a cada electró és una certa quantitat d'energia.

cinètica

La baixa pressió en un tub de raigs x evacuat (a 15 ° C és 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. V.) permet que les partícules sota l'acció d'emissió i força elèctrica termoiònica emesa des del càtode a l'ànode. Aquesta força dels accelera, el que resulta en un augment de la velocitat i l'energia cinètica i potencial descendent. Quan una partícula cau en l'ànode, el seu potencial es perd, i tota la seva energia es converteix en energia cinètica. d'electrons de 100 keV arriba a una velocitat més gran que la meitat velocitat de la llum. Incideix sobre la superfície de la partícula s'està desaccelerant molt ràpidament i perd la seva energia cinètica. Es dóna la volta als raigs X o calor.

Els electrons entren en contacte amb els àtoms individuals del material d'ànode. Radiació generada per la seva interacció amb els orbitals (fotons de raigs X), i amb un nucli (bremsstrahlung).

energia d'unió

Cada electró en un àtom té una certa energia d'enllaç, que depèn de la mida d'aquest últim i el nivell al qual es troba la partícula. L'energia d'enllaç juga un paper important en la generació dels raigs X característics i es necessita per treure un electró d'un àtom.

bremsstrahlung

Bremsstrahlung produeix el major nombre de fotons. Els electrons penetren en el material de l'ànode i que s'estén prop del nucli, desviat desacceleren àtom de força gravitacional. La seva energia perduda durant aquesta reunió es presenta en forma de fotons de raigs X.

gamma de

Només uns pocs fotons tenen una energia prop de l'energia dels electrons. La majoria d'ells és menor. Suposem que hi ha un espai o camp que envolta el nucli, en el qual els electrons experiència força "inhibició". Aquest camp es pot dividir en zones. Això dóna una vista del nucli de camp de l'àtom de destinació al centre. Electrònics pertanyents a qualsevol part de l'objectiu està perdent velocitat i es genera un fotó de raigs X. Les partícules que cauen més proper al centre, són els més exposats i per tant perden la major quantitat d'energia, produint mateixos fotons d'alta energia. Els electrons d'entrar a la zona exterior d'experimentar una interacció feble i generar fotons d'energia més baixa. Tot i que la zona tenen la mateixa amplada, que tenen una àrea diferent depenent de la distància des del nucli. Atès que el nombre de partícules incident a la zona, depèn de la seva superfície total, és obvi que l'àrea externa capturar més electrons i causar més fotons. espectre de raigs X d'energia pot ser predita per aquest model.

I fotons _màxim espectre de radiació de frenada principal corresponent als electrons I _max. Per sota d'aquest punt, amb la disminució de l'energia del fotó augmenta el seu nombre.

Un nombre important dels fotons de baixa energia absorbida o filtració, en el seu intent de passar a través de la superfície del tub d'ànode o filtre de caixa. El filtrat és generalment dependent de la composició i gruix del material a través del qual passa el feix, i això determina la forma final de la corba de l'espectre de baixa energia.

influència KV

La part d'alta energia de l'espectre determina la tensió tubs de raigs x en kV (quilovolts). Això és a causa que determina l'energia dels electrons que arriben a l'ànode, i els fotons no pot tenir el potencial més gran que aquest. Sota qualsevol tub de raigs X de tensió de funcionament? L'energia màxima de fotons correspon a la potencial màxima aplicada. Aquesta tensió pot variar durant l'exposició a causa de la xarxa de corrent altern. En aquest cas, E voltatge pic _màxim determinat per l'oscil·lació de fotons període KV _pàg.

A més quanta potencial, KV _p determina la quantitat de radiació generada per un determinat nombre d'electrons que arriben al ànode. Atès que l'eficiència total de radiació bremsstrahlung s'incrementa per l'augment d'energia d'electrons incident, que es determina KV _p, això implica que el KV _p afecta l'eficiència del dispositiu.

Canvi KV _p, generalment alterar l'espectre. L'àrea total sota la corba d'energia representa el nombre de fotons. espectre no filtrat és un triangle, i la quantitat de radiació en proporció a la KV quadrat. En la presència del filtre també augmenta KV augmentar la penetració dels fotons, el que redueix el percentatge de la radiació filtrada. Això condueix a un major rendiment de radiació.

radiació característica

El tipus d'interacció que genera la radiació característica comprèn col·lisió a alta velocitat amb electrons orbitals. Interacció només pot tenir lloc quan una part E de _la partícula té més gran que l'energia d'enllaç d'un àtom. Quan es compleix aquesta condició, i hi ha una col·lisió, l'electró és noquejat. Això deixa posició oberta, plena per la partícula un nivell d'energia més alt. A mesura que avancem l'electró dóna energia emesa en forma de fotons de raigs X. Es diu la radiació característica, ja que E és la característica element químic fotó de què està fet l'ànode. Per exemple, quan un electró és eliminat _connexió de _la capa de tungstè K amb E = 69,5 keV, la vacant s'omple amb un electró de la _comunicació a nivell de L amb E = 10,2 keV. Característica fotó de raigs X té una energia igual a la diferència entre els dos nivells, o 59,3 keV.

De fet, el material de l'ànode condueix a un nombre de característiques energies de raigs X. Això passa perquè els electrons a diversos nivells d'energia (K, L, etc.) poden ser colpejats bombardeig de partícules i les vacants poden omplir amb una varietat de nivells d'energia. Mentre que el vacants L-nivell genera fotons i les seves energies són massa petits per al seu ús en diagnòstic per imatge. Cada energia característica es dóna una denominació que indica l'orbital, en el qual una vacant, amb un índex que mostra una font d'electrons requerit. alfa (α) denota l'índex d'electrons omplert des del nivell L, i beta (β) indica el nivell d'ompliment de M o N.

• tungstè Spectrum. La radiació característica del metall produeix un espectre lineal que consta de diverses energies discretes i frenada genera distribució contínua. El nombre de fotons creats per cada energia característica, caracteritzat perquè la probabilitat d'ompliment de la K-nivell vacant depèn de l'orbital.
• molibdè Spectrum. Ànodes d'aquest metall utilitzat per a la mamografia, produeixen dues característiques prou intens d'energia de raigs X: K-alfa a 17,9 keV i el K-beta a 19,5 keV. El rang òptim dels tubs de raigs X, el que permet aconseguir el millor equilibri entre el contrast i la dosi d'irradiació per a la grandària mitjana de mama arribat a E _p = 20 keV. No obstant això Bremsstrahlung produir més energia. En equip de mamografia per a l'eliminació de les parts no desitjades del filtre de molibdè espectre utilitzat. El filtre funciona sobre el principi de «vora K". S'absorbeix la radiació en excés d'energia d'enllaç en l'àtom de molibdè-nivell K d'electrons.
• L'espectre de rodi. Rodi té nombre atòmic 45, i molibdè - 42. Per tant, la característica de raigs X d'un ànode de rodi tindrà una energia lleugerament més alt que el de molibdè i més penetrant. S'utilitza per obtenir imatges de mames denses.

Els ànodes amb àrees superficials dobles, molibdè, rodi, permeten a l'operador seleccionar una distribució optimitzada per als pits de diferent grandària i densitat.

L'efecte sobre el KV espectre

valor KV afecta en gran mesura la radiació característica, és a dir. K. No es produirà si és menor KV electrons nivell K-energia. Quan KV supera aquest valor llindar, la quantitat de radiació és generalment proporcional a la diferència i el KV tub llindar KV.

L'espectre d'energia dels fotons de feix de raigs X emesos des del dispositiu està determinada per diversos factors. Com a regla, es compon de bremsstrahlung i la interacció característica.

La composició relativa de l'espectre depèn del material d'ànode, KV i el filtre. En un tub amb una característica d'emissió de tungstè ànode no està format en KV <69,5 keV. A valors més alts de HF utilitzats en estudis de diagnòstic, radiació característica augmenta la radiació total a 25%. Els dispositius de molibdè que poden arribar a una gran part de la capacitat total de generació.

eficiència

Només una petita part de l'energia subministrada pels electrons es converteix en radiació. La fracció principal s'absorbeix i es converteix en calor. eficiència de radiació es defineix com la fracció de potència radiada total de la General Electric imparteix ànode. Els factors que determinen l'eficàcia del tub de raigs X s'apliquen kV de voltatge i el nombre Z. atòmica La proporció aproximada dels següents:

• Eficiència = KV x Z x 10 ^-6.

La relació entre l'eficiència i KV té un efecte específic sobre l'ús pràctic d'un equip de raigs X. A causa de la generació de calor del tub d'haver un límit en el nombre de l'energia elèctrica que es pot dissipar. Que imposa a la capacitat del dispositiu de límit. Amb l'augment de KV, però, la quantitat de radiació produïda per un calor augmenta de manera significativa.

La dependència de l'eficiència de la generació de raigs X de la composició de l'ànode és només d'interès acadèmic perquè la majoria dels dispositius utilitzen tungstè. Una excepció és el molibdè i el rodi, utilitzat en la mamografia. L'eficiència d'aquests dispositius és significativament menor per al tungstè causa del seu nombre atòmic inferior.

efectivitat

tub de raigs X L'eficiència es defineix com la quantitat d'irradiació millirentgenah lliurat a un punt en el centre del feix útil a una distància d'1 m des del punt focal per a cada un d'1 mes electrons que passen a través del dispositiu. El seu valor representa la capacitat del dispositiu per convertir l'energia de les partícules carregades en la radiació de raigs X. Se li permet determinar l'exposició del pacient, i la instantània. Com l'eficiència, l'eficàcia del dispositiu depèn de diversos factors, incloent KV, la forma d'ona de tensió, el material de l'ànode i el grau de danys en la superfície per al dispositiu de filtre i el temps d'ús.

KV-gestió

KV de voltatge del tub de raigs X controla de forma eficaç la radiació de sortida. Com a regla, se suposa que la sortida és proporcional al quadrat de la KV. La duplicació de l'exposició KV augmenta 4 vegades.

forma d'ona

La forma d'ona es descriu el mètode pel qual KV varia amb el temps durant la generació de la radiació a causa de la naturalesa cíclica de potència. diverses formes d'ona diferents que s'utilitzen. El principi general és: com menor és el canvi en el KV manera, la radiació de raigs X es produeix de manera eficient. L'equip modern fa servir generadors amb KV relativament constant.

tubs de raigs X: Fabricants

Oxford Instruments Company fabrica diversos dispositius, incloent el vidre, l'energia a 250 W, 4-80 potencial kV, els centres de coordinació punt de 10 micres i una àmplia gamma de materials d'ànode, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, pd, Rh, Tu, W.

Varien ofereix més de 400 tipus diferents de tubs de raigs X mèdics i industrials. Altres productors coneguts són Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong et al.

A Rússia produït tubs de raigs X "Svetlana-Roentgen". A més dels dispositius tradicionals amb la rotació i la companyia d'ànode fix fabrica dispositius del flux lluminós de càtode fred controlat. Beneficis dels següents dispositius:

• treballar en una manera contínua i de pols;
• absència d'inèrcia;
• la regulació de la intensitat del corrent de LED;
• puresa espectre;
• la possibilitat de la radiació de raigs X d'intensitat variable.