Deoarece tuburile cu raze X de lucru?

Razele X sunt generate prin conversia energiei electronilor la fotoni, care are loc în tubul de raze X. Cantitate (expunere) și (spectrul) radiații de calitate poate fi reglată prin modificarea curentului, tensiunea și timpul instrumentului.

Principiul de funcționare

tuburi cu raze X (foto dat in articol) sunt convertoare de energie. Ei l primesc de la rețea și transformată în alte forme - radiații penetrante și căldură, acesta din urmă este un produs secundar nedorit. X-ray dispozitiv tub astfel încât să maximizeze producția de fotoni și disipa căldura cât mai repede posibil.

Tubul este un dispozitiv relativ simplu, cuprinzând în mod obișnuit două elemente de bază - un catod și un anod. Atunci când fluxurile de curent de la catod la anod, electronii pierd energie, ceea ce conduce la generarea de raze X.

anod

Anodul este o componentă, în care emisia de fotoni de mare energie produsă. Acesta este un element metalic relativ masiv, care este conectat la polul pozitiv al circuitului electric. Ea are două funcții principale:

• Acesta transformă energia electronilor în raze X,
• Disipa caldura.

Materialul pentru anod este selectat pentru a îmbunătăți aceste funcții.

În mod ideal, cele mai multe dintre electronii ar trebui să formeze un fotoni de energie înaltă, mai degrabă decât de căldură. Raportul dintre energia totală, care este convertită în radiație X (COP) depinde de doi factori:

• numărul atomic (Z) a materialului anodului,
• energie de electroni.

In cele mai multe tuburi cu raze x ca un material de anod utilizat tungsten, al căror număr atomic este egal cu 74. În plus față de mare Z, acest metal are anumite alte caracteristici care îl fac adecvat pentru acest scop. Tungsten este unic în capacitatea sa de a menține puterea atunci când este încălzit, are un punct de topire ridicat și o rată de evaporare scăzută.

Timp de mulți ani, anodul este realizat din tungsten pur. În ultimii ani, am început să folosească acest aliaj de metal cu reniu, dar numai pe suprafață. anod de auto sub acoperirea -wolfram reniu realizată din material ușor, bun de căldură de stocare. Două astfel de substanțe sunt molibden și grafit.

Tubul cu raze X folosit pentru mamografie, se face cu anod, acoperit cu molibden. Acest material are un număr intermediar atomic (Z = 42), care generează fotoni cu energie caracteristică, potrivite pentru înregistrarea în piept. Unele dispozitive au mamografie, de asemenea, un al doilea anod, format din rodiu (Z = 45). Acest lucru face posibilă creșterea energiei și de a realiza o mai mare penetrare pentru sani densa.

Utilizarea de aliaj de tungsten reniu îmbunătățește puterea radiației pe termen lung - cu dispozitive de eficiență timp cu anod din tungsten pur este redusă din cauza deteriorării termice la suprafață.

Cele mai multe dintre anodul are forma discurilor conice și fixat pe axul motorului, care le rotește la viteze relativ mari în momentul emisiei de raze X. Scopul rotației - îndepărtarea căldurii.

petei focale

Partea de generare de raze X nu întregul anod. Ea are loc într-o zonă mică a suprafeței sale - la fața locului focal. Dimensiuni ultima determinat dimensiunea fasciculului de electroni care vine de la catod. In majoritatea are o formă dreptunghiulară variază în dispozitivele de 0,1-2 mm.

Design-tub cu raze X, cu o anumită dimensiune a punctului focal. Cu cat mai mic, cu atât mai puțină neclaritate și claritatea mai mare, și ceea ce este mai mult, cu atât mai bine disipare a căldurii.

Dimensiunea spotului focal este un factor care trebuie luat în considerare la alegerea tubului de raze X. Producătorii produc dispozitive cu punctul focal mic, în cazul în care este necesar pentru a atinge de înaltă rezoluție și de radiații suficient de mici. De exemplu, este necesar în studiul pieselor mici si delicate ale corpului ca in mamografie.

Tubul cu raze X produc în principal pete focale cu două dimensiuni - mari și mici, care pot fi selectate de către operator, în conformitate cu procedura de formare a imaginii.

catod

Funcția principală a catodului - pentru a genera electroni și colectarea acestora într-un fascicul direcționat spre anod. Acesta constă în general dintr-un fir de spirală mică (filament) încorporat într-o degajare în formă de cupă.

Electronii trec prin circuitul nu poate părăsi în mod normal, conductorul și se lasă un spațiu liber. Cu toate acestea, ei pot face acest lucru, în cazul în care obține suficientă energie. Într-un proces cunoscut sub numele de emisie termică, căldura utilizată pentru a expulza electronii de la catod. Acest lucru devine posibil atunci când presiunea într - un tub cu raze X evacuate ajunge la 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. Art. Firul este încălzit în același mod ca și o lampă cu filament în spirală prin trecerea unui curent prin acesta. tub catodic lucrare este însoțită de încălzirea la o deplasare a energiei termice temperatură luminescență din acesta electronii.

balon

Anod și catod sunt conținute într-o carcasă etanșă - cilindru. Balonul și conținutul său sunt adesea menționate ca inserție, care are o durată de viață limitată și poate fi înlocuit. Tubul de raze X în general, au un bec de sticlă, deși cilindrii metalici și ceramice utilizate pentru unele aplicații.

Funcția principală este de a susține containerul și izolarea de anod și catod și menținerea vidului. Presiunea în tubul de raze X evacuat la 15 ° C este de 1,2 x 10 ^-3 Pa. Prezența gazului în rezervor ar permite electricitate să curgă prin dispozitiv liber, nu doar sub forma unui fascicul de electroni.

carcasă

Aparate de tub cu raze X, astfel încât, în plus față de incinta și susținerea altor componente, ea servește ca un corp scut și absoarbe radiația, cu excepția fasciculului util care trece prin fereastră. Suprafața sa relativ mare externe disipa cea mai mare parte căldura generată în dispozitiv. Spațiul dintre coajă și inserția este umplut cu ulei, care oferă izolație și răcirea.

lanț

Circuitul electric se conectează telefonul la o sursă de alimentare, care se numește un generator. Sursa este alimentat de la rețea și convertește curentul alternativ în curent continuu. Generatorul de asemenea, vă permite să se adapteze unor parametri ai lanțului:

• KV - tensiune sau potențial electric;
• MA - curent care curge prin tubul;
• S - durata sau timpul de expunere, în fracțiuni de secundă.

Circuitul asigură mișcarea electronilor. Aceștia sunt acuzați de energie, care trece prin generatorul, si da-l la anod. Pe măsură ce mișcarea lor are loc două transformări:

• energie electrică potențială este transformată în energie cinetică;
• cinetică, la rândul său, este transformat în raze X și căldură.

potențial

Când electronii ajung în balon, ele posedă energie electrică potențială, care este determinată de valoarea tensiunii KV între anod și catod. Tubul de raze X a fost operat la o tensiune pentru a genera 1 KV pe care fiecare particulă trebuie să aibă 1 keV. Prin ajustarea KV, operatorul dă fiecărui electron este o anumită cantitate de energie.

cinetică

Presiunea scăzută într - un tub cu raze X evacuat (la 15 ° C este de 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. V.) Permite particulelor sub acțiunea forței de emisie și electrice thermionic emise de la catod la anod. Această forță le accelerează, ducând la creșterea vitezei și energia cinetică și potențială descendent. Atunci când o particulă aterizează pe anod, potențialul său este pierdut, și toată energia este transformată în energie cinetică. 100 keV electron atinge o viteză mai mare decât jumătate de viteza luminii. Lovirea suprafața particulei încetinește foarte repede și își pierd energia cinetică. Ea se întoarce la raze X sau căldură.

Electronii vin în contact cu atomii individuali ai materialului anodului. Radiation generate de interacțiunea lor cu orbitali (fotoni cu raze X), și cu un miez (bremsstrahlung).

energia de legare

Fiecare electron dintr-un atom are o anumită energie de legare, care depinde de mărimea acesteia și nivelul la care se află particula. Energia de legare joacă un rol important în generarea caracteristice razelor X și este necesară pentru a elimina un electron dintr-un atom.

bremsstrahlung

Bremsstrahlung produce cel mai mare număr de fotoni. Electronii pătrund în materialul anodului și care se extinde în apropierea nucleului, deviate și decelerat atom forță gravitațională. Energia lor a pierdut în timpul acestei reuniuni apare sub forma de fotoni X-ray.

gama de

Doar câțiva fotoni au o energie aproape la energia de electroni. Majoritatea dintre ele este mai mic. Să presupunem că există un spațiu sau un câmp care înconjoară miezul, în care electronii forței de experiență „inhibare“. Acest câmp poate fi împărțit în zone. Aceasta oferă o vedere a miezului câmpului atomului țintă în centru. Electronice care se încadrează oriunde în ținta este decelerat și generează un foton de raze X. Particulele care cad cel mai aproape de centru, sunt cele mai expuse și, prin urmare, pierde mai multă energie, care produc foarte fotoni de energie înaltă. Electronii care intră în zona exterioară se confruntă cu o interacțiune slabă și generează fotoni de energie mai mic. Deși zona au aceeași lățime, care au o suprafață diferită în funcție de distanța de la nucleu. Deoarece numărul de particule incidente pe zona, depinde de suprafața sa totală, este evident că zona exterioară a capta mai mulți electroni și pot provoca mai mulți fotoni. Spectrul de raze X de energie poate fi prezis de acest model.

E fotoni _max principal spectru bremsstrahlung corespunzatoare electronilor _Emax. Sub acest punct, cu scăderea energiei fotonice crește numărul lor.

Un număr semnificativ de fotoni de energie redus absorbite sau filtrate, în timp ce încearcă să treacă prin suprafața tubului anod sau filtru cutie. Filtrarea depinde în general de compoziția și grosimea materialului prin care fasciculul trece, iar acest lucru determină forma finală a curbei de spectru consum redus de energie.

influenţa KV

Partea de energie înaltă a spectrului determină tuburile cu raze X de tensiune în kV (kilovolt). Acest lucru se datorează faptului că determină energia electronilor ajunge la anod, iar fotonii nu pot avea potențial mai mare decât aceasta. Sub orice tub de raze X de tensiune de funcționare? Energia maximă fotonica corespunde potențialului maxim aplicat. Această tensiune poate varia în timpul expunerii datorită rețelei de curent alternativ. În acest caz, E _max tensiune la vârf determinată de foton oscilație perioada KV _p.

cuante potențial suplimentar, KV _p determină cantitatea de radiație generată de un anumit număr de electroni care ajung la anod. Deoarece eficiența totală a radiației bremsstrahlung este crescut cu energia creste incidente de electroni, care este determinat KV _p, acest lucru implică faptul că KV _p afectează eficiența dispozitivului.

Schimbarea KV _p, de obicei modifica spectrul. Suprafața totală de sub curba de energie reprezintă numărul de fotoni. Spectru nefiltrat este un triunghi, iar cantitatea de radiatii proporțional cu KV pătrat. În prezența filtrului crește, de asemenea, creșterea KV penetrarea de fotoni, ceea ce reduce procentul radiației filtrate. Aceasta duce la creșterea randamentului radiații.

radiație caracteristică

Tipul de interacțiune care generează radiația caracteristică cuprinde coliziune de mare viteză cu electroni orbitali. Interacțiunea poate avea loc numai atunci când o parte E a particulei are mai mare decât energia de legare a unui atom. Atunci când această condiție este îndeplinită, și există o coliziune, electronul este knock-out. Acest lucru lasă poziție deschisă, umplut de particula un nivel mai ridicat de energie. Pe masura ce inaintam electronul dă energie emisă sub formă de fotoni X-ray. Se numește radiația caracteristică, deoarece E este elementul chimic caracteristic foton din care se face anod. De exemplu, atunci când un electron este lovit _conexiune strat de tungsten K cu E = 69,5 keV, postul vacant este umplut cu un electron de la _comunicare la nivel de L cu E = 10,2 keV. Caracteristica foton cu raze X are o energie egală cu diferența dintre cele două niveluri, sau 59,3 keV.

De fapt, materialul anod duce la un număr de energii de raze X caracteristice. Acest lucru se întâmplă deoarece electronii la diferite nivele de energie (K, L, etc.) poate fi bătut bombardează particule și posturile vacante pot fi umplute cu o varietate de niveluri de energie. În timp ce posturile vacante L-nivel generează fotoni și energiile lor sunt prea mici pentru a fi utilizate in imagistica de diagnostic. Fiecare energie caracteristică este dată o indicație care indică orbital, în care un post vacant, cu un indice care prezintă o sursă de electroni necesar. alfa (α) reprezintă indicele de umplere de electroni de la L-nivel, și beta (β) indică nivelul de umplere al M sau N.

• tungsten Spectrum. Radiația caracteristică a metalului produce un spectru liniar constând din mai multe energii discrete și frânare generează distribuție continuă. Numărul de fotoni create de fiecare energie caracteristică, caracterizată prin aceea că probabilitatea de a umple postul vacant K nivel depinde de orbital.
• molibden Spectrum. Anozi din acest metal folosit pentru mamografie, produc două suficient de intens caracteristic de energie cu raze X: K-alfa la 17,9 keV și K-beta la 19,5 keV. Intervalul optim de tuburi cu raze X, care permite obținerea celui mai bun echilibru între contrast și doza de iradiere pentru dimensiunea medie de san realizat la E _p = 20 keV. Cu toate acestea produc mai multă energie radiație de frânare. In echipamentele mamografie pentru îndepărtarea părți nedorite ale spectrului utilizat filtrul de molibden. Filtrul funcționează pe principiul «K-margine„. Se absoarbe radiațiile în exces de energie de legare la atomul de molibden la nivelul K electron.
• Spectrul de rodiu. Rodiu are numărul atomic 45 și molibden - 42. Prin urmare, caracteristica razelor X ale unui anod rodiu va avea o energie puțin mai mare decât cea a molibdenului și mai penetrant. Acesta este utilizat pentru imagistica prin sani densa.

Anozi cu suprafețe duble, molibden, rodiu, permite operatorului să selecteze o distribuție optimizată pentru sânii de diferite dimensiuni și densitate.

Efectul asupra KV spectru

Valoarea KV afectează în mare măsură radiația caracteristică, adică. K. Nu va fi produs dacă mai puțin KV electroni de nivel K-energie. Când KV depășește această valoare de prag, cantitatea de radiație este în general proporțională cu diferența și tubul KV prag KV.

Spectrul energetic al fotonilor de fascicul de raze X emise de dispozitiv este determinată de mai mulți factori. De regulă, se compune din bremsstrahlung și interacțiunea caracteristică.

Compoziția relativă a spectrului depinde de materialul anodului, KV și se filtrează. Într-un tub cu o caracteristică de emisie tungsten anod nu este format la KV <69,5 keV. La valori mai mari ale HF utilizate în studiile de diagnostic, radiație caracteristică crește radiația totală la 25%. Dispozitivele de molibden se poate ajunge la o mare parte din capacitatea totală de generare.

eficiență

Numai o mică parte din energia livrată de electroni este transformata in radiatie. Fracțiunea principală este absorbită și transformată în căldură. eficiența radiației este definită ca fracțiunea totală radiată de electric general împărtășită anod. Factorii care determină eficiența tubului de raze X sunt aplicate KV tensiune și numărul atomic Z. Raportul aproximativ următoarele:

• Eficiență = KV x Z x 10 ^-6.

Relația dintre eficiență și KV are un efect specific asupra utilizării practice a echipamentelor cu raze X. Datorită generarea de căldură a tubului are o limită pentru numărul de energie electrică pe care le pot risipi. Se impune capacitatea limita dispozitivului. Odată cu creșterea KV, cu toate acestea, cantitatea de radiație produse de unul dintre căldură crește semnificativ.

Dependența eficienței generării de raze X pe compoziția anodului este doar de interes academic, deoarece majoritatea dispozitivelor utilizate tungsten. O excepție este molibden și rodiu, utilizat în mamografia. Eficiența acestor dispozitive este semnificativ mai mică pentru wolfram din cauza numărului atomic mai mic.

eficacitate

tub de raze X Eficiența este definită ca fiind cantitatea de iradiere millirentgenah livrate la un punct în centrul fasciculului util la o distanță de 1 m de la punctul focal pentru fiecare 1 mAs electroni care trec prin dispozitiv. Valoarea sa reprezintă capacitatea dispozitivului de a converti energia particulelor încărcate în radiație X-ray. Acesta vă permite să se determine expunerea pacientului, și instantaneu. Ca eficiență, eficiența dispozitivului depinde de mai mulți factori, inclusiv KV, forma de undă de tensiune, materialul anodului și gradul de deteriorare a suprafeței dispozitivului de filtrare și în momentul utilizării.

KV-gestionare

tub cu raze X KV tensiune controlează în mod eficient radiația de ieșire. De regulă, se presupune că producția este proporțională cu pătratul KV. Dublarea expunere KV crește de 4 ori.

forme de undă

Forma de undă descrie metoda prin care KV variază în funcție de timp în timpul generării de radiații datorită naturii ciclice a puterii. mai multe forme de undă diferite utilizate. Principiul general este: mai mic schimbarea formei KV, radiația cu raze X este produsă eficient. Echipamentul modern, folosit generatoare cu KV relativ constantă.

Tuburi cu raze X: Producători

Oxford Instruments Company produce diferite dispozitive, inclusiv sticlă, puterea de 250 W, 4-80 potențial kV, focale la fața locului 10 microni și o gamă largă de materiale de anod, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian ofera peste 400 de tipuri diferite de tuburi cu raze X medicale și industriale. Alți producători cunoscuți sunt Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IEA, Hangzhou Wandong, Kailong și colab.

În Rusia a produs tuburi cu raze X "Svetlana-Roentgen". În plus față de dispozitivele tradiționale cu rotire și compania anod staționar produce dispozitive ale fluxului luminos catod rece controlat. Beneficiile următoarele dispozitive:

• lucrează într-un moduri continuu și puls;
• lipsa de inerție;
• reglementarea intensitatea curentului LED;
• puritatea spectrului;
• posibilitatea de raze X de intensitate diferite.