Cum funcționează tuburile cu raze X?

Radiația cu raze X este creată prin transformarea energiei electronilor în fotoni, care apare într-un tub cu raze X. Cantitatea (expunerea) și calitatea (spectrul) radiației pot fi reglate prin modificarea timpului curent, a tensiunii și a timpului de funcționare al instrumentului.

Principiul de funcționare

Tuburile cu raze X (fotografia este prezentată în articol) sunt convertoare de energie. Ei o iau din rețea și o transformă în alte forme - radiații și căldură penetrabile, în timp ce acesta din urmă este un produs secundar nedorit. Dispozitivul cu tuburi cu raze X este astfel încât maximizează producția de fotoni și disipează căldura cât mai repede posibil.

Tubul este un dispozitiv relativ simplu, care conține de obicei două elemente principale - catodul și anodul. Când curentul curge de la catod la anod, electronii pierd energie, ceea ce duce la generarea de raze X.

anod

Anodul este o componentă în care sunt emise fotoni de mare energie. Acesta este un element relativ masiv de metal care se conectează la polul pozitiv al circuitului electric. Realizează două funcții principale:

• convertește energia electronilor în raze X,
• disipează căldura.

Materialul pentru anod este ales pentru a spori aceste funcții.

În mod ideal, majoritatea electronilor ar trebui să formeze fotoni de înaltă energie, mai degrabă decât căldură. Proporția din energia totală, care este convertită în radiație cu raze X, (EFICIENȚA) depinde de doi factori:

• numărul atomic (Z) al materialului anodic,
• energia electronilor.

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.

De mulți ani, anodul a fost făcut din tungsten pur. În ultimii ani, am început să folosim un aliaj din acest metal cu reniu, dar numai la suprafață. Anodul propriu-zis sub acoperirea cu tungsten-reniu este realizat dintr-un material ușor care acumulează căldură bine. Două astfel de substanțe sunt molibden și grafit.

Tuburile cu raze X utilizate pentru mamografie sunt realizate cu un 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 instrumente de mamografie au, de asemenea, un al doilea anod din rhodiu (Z = 45). Acest lucru vă permite să creșteți energia și să obțineți o penetrare mai mare pentru un piept dens.

Utilizarea rhenium-wolframului aliajul îmbunătățește randamentul radiațiilor pe termen lung - în timp, eficiența dispozitivelor cu un anod de tungsten pur scade datorită deteriorării termice a suprafeței.

Majoritatea anodelor au forma discurilor conice și sunt atașate la arborele motorului electric, care le rotește la viteze relativ ridicate în timpul emisiei de raze X. Scopul rotirii este de a elimina căldura.

Punct focal

În generarea de raze X nu participă întreg anodul. Apare pe o suprafață mică a suprafeței sale - un punct focal. Dimensiunile ultimelor sunt determinate de dimensiunile fasciculului de electroni provenite de la catod. În majoritatea dispozitivelor, are o formă dreptunghiulară și variază în intervalul de 0,1-2 mm.

Tuburile cu raze X proiectează cu o anumită dimensiune a punctului focal. Cu cât este mai mică, cu atât este mai puțin estomparea și imaginea mai clară, cu atât este mai bine căldura este îndepărtată.

Dimensiunea spotului focal este unul dintre factorii care trebuie luați în considerare la alegerea tuburilor cu raze X. Producătorii produc dispozitive cu puncte focale mici atunci când este necesar să se obțină rezoluție înaltă și radiații suficient de mici. De exemplu, este necesar în studiul părților mici și subțiri ale corpului, ca și în mamografie.

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

catod

Funcția principală a catodului este de a genera electroni și de a le colecta într-un fascicul îndreptat către anod. De regulă, constă dintr-o mică spirală de sârmă (filament), scufundată într-o depresiune în formă de cupă.

Electronii care trec prin circuit, de obicei, nu pot părăsi conductorul și pot intra în spațiu liber. Totuși, ei pot face acest lucru dacă obțin suficientă energie. În procesul cunoscut sub numele de emisie termionică, căldura este folosită pentru a expulza electronii de la catod. Acest lucru devine posibil atunci când presiunea din tubul cu raze X evacuate ajunge la 10^-6-10^-7 mm Hg. Art. Fiul este încălzit în același mod ca filamentul lămpii cu incandescență atunci când curentul trece prin el. Lucrarea tubului cu raze X este însoțită de încălzirea catodului la temperatura luminiscenței prin deplasarea unei părți a electronilor prin energia termică din acesta.

balon

Anodul și catodul sunt conținute într-o carcasă sigilată. Balonul și conținutul acestuia sunt numite adesea o inserție care are o durată limitată de viață și poate fi înlocuită. Tuburile cu raze X au în principal becuri de sticlă, deși cilindrii metalici și ceramici sunt utilizați pentru unele aplicații.

Funcția principală a cilindrului este de a oferi suport și izolație anod și catod, și menținerea unui vid. Presiunea din tubul de raze X evacuat la 15 ° C este de 1,2 mldot-10^-3 Pa. Prezența gazelor în cilindru ar permite electricității să circule liber prin dispozitiv, și nu numai sub forma unui fascicul de electroni.

carcasă

Dispozitivul tubular cu raze X este astfel încât, pe lângă păstrarea și susținerea altor componente, carcasa acestuia servește ca un scut și absoarbe radiația, cu excepția unui fascicul util care trece prin fereastră. Suprafața sa exterioară relativ mare disipă o mare parte din căldura generată în interiorul dispozitivului. Spațiul dintre corp și inserție este umplut cu ulei, care asigură izolația și răcirea acestuia.

lanț

Circuitul electric conectează tubul la o sursă de energie, numită generator. Sursa primește energie de la rețea și convertește curentul alternativ într-unul constant. Generatorul vă permite, de asemenea, să reglați câțiva parametri ai circuitului:

• KV - potențial electric sau electric;
• MA este curentul care trece prin tub;
• S - durata sau timpul de expunere, în fracțiuni de secundă.

Lanțul asigură mișcarea electronilor. Ele sunt încărcate cu energie, trecând prin generator și dau-o anodului. Pe măsură ce se mișcă, există două transformări:

• energia electrică potențială este transformată în energie cinetică;
• Cel cinetic, la rândul său, se transformă în radiație și căldură.

potențial

Când electronii intră în balon, ei au energie electrică potențială, valoarea căreia este determinată de tensiunea KV între anod și catod. Tubul cu raze X funcționează sub tensiune, pentru a crea 1 KV din care fiecare particulă ar trebui să aibă 1 keV. Prin ajustarea KV, operatorul atribuie fiecărui electron o cantitate de energie.

cinetică

Presiune scăzută în tubul cu raze X evacuate (la 15 ° C este de 10^-6-10^-7 mm Hg. ) permite particulelor sub acțiunea emisiei termice și forței electrice să zboare de la catod la anod. Această forță le accelerează, ceea ce duce la o creștere a vitezei și a energiei cinetice și la o scădere a potențialului de energie. Atunci când o particulă lovește anodul, potențialul său se pierde și toată energia se duce la energia cinetică. 100-keV electron ajunge la o viteză care depășește jumătate viteza luminii. Apucând suprafața, particulele se încetinesc foarte repede și își pierd energia cinetică. Se transformă în raze X sau în căldură.

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

Puterea comunicării

Fiecare electron din interiorul atomului are o anumită energie de legare, care depinde de dimensiunea acestuia și de nivelul la care este localizată particula. Energia de legare joacă un rol important în generarea de radiații caracteristice cu raze X și este necesară pentru îndepărtarea electronului de la atom.

bremsstrahlung

Radiația de frână produce cel mai mare număr de fotoni. Electronii care penetrează materialul anodic și trec în apropierea nucleului sunt deviate și încetinite de forța de atracție a atomului. Energia lor, pierdută în timpul acestei întâlniri, apare sub forma unui foton cu raze X.

gama de

Doar câțiva fotoni au o energie aproape de energia electronilor. Cele mai multe dintre ele sunt mai mici. Să presupunem că există un spațiu sau un câmp care înconjoară nucleul, în care electronii experimentează forța "inhibării". Acest câmp poate fi împărțit în zone. Aceasta oferă câmpului nucleului forma unei ținte cu un atom în centru. Un electron care lovește orice punct al țintei suferă o decelerare și generează un foton de raze X. Particulele care se apropie cel mai mult de centru sunt expuse celui mai mare impact și, prin urmare, pierd cele mai multe energii, producând fotoni cu cea mai mare energie. Electronii care intră în zonele exterioare experimentează mai mult interacțiuni slabe și cuantele de energie redusă sunt generate. Deși zonele au aceeași lățime, au o arie diferită, în funcție de distanța față de miez. Deoarece numărul de particule care se încadrează pe o anumită zonă depinde de suprafața sa totală, este evident că zonele exterioare capturează mai mulți electroni și creează mai multe fotoni. Conform acestui model, este posibilă prezicerea spectrului de energie al radiației X-ray.

E_max fotonii spectrului de frecvențe fundamentale bremsstrahlung corespund cu E_max electroni. Sub acest punct, cu o scădere a energiei cuantice, numărul lor crește.

Un număr semnificativ de fotoni cu energii reduse sunt absorbiți sau filtrați, încercând să treacă prin suprafața anodică, fereastra tubului sau filtrul. Filtrarea, de regulă, depinde de compoziția și grosimea materialului prin care trece fasciculul, ceea ce determină forma finală a curbei de energie redusă a spectrului.

Efectul KV

Partea cu energie înaltă a spectrului determină tensiunea din tuburile cu raze X kV (kilovolt). Acest lucru se datorează faptului că determină energia electronilor care ajung la anod, iar fotonii nu pot avea un potențial mai mare decât acesta. Sub ce tensiune funcționează tubul cu raze X? Energia maximă a fotonului corespunde cu potențialul maxim aplicat. Această tensiune poate varia în timpul expunerii datorită curentului de rețea AC. În acest caz, E_max fotonul este determinat de tensiunea de vârf a perioadei de oscilație KV_p.

În plus față de potențialul quant, KV_p determină cantitatea de radiații produsă de un anumit număr de electroni care cad pe anod. Deoarece eficiența globală a bremsstrahlung crește datorită creșterii energiei electronilor bombardați, determinată de KV_p, atunci rezultă că KV_p afectează eficiența dispozitivului.

Schimbarea KV_p, ca o regulă, modifică spectrul. Suprafața totală sub curba energetică este numărul de fotoni. Fără un filtru, spectrul este un triunghi, iar cantitatea de radiații este proporțională cu pătratul KV. În prezența unui filtru, o creștere a KV crește și penetrarea fotonilor, ceea ce reduce procentajul de radiații filtrate. Aceasta duce la o creștere a randamentului radiațiilor.

Radiații caracteristice

Tipul de interacțiune care produce radiații caracteristice implică coliziunea electronilor de mare viteză cu cele orbitale. Interacțiunea poate avea loc numai atunci când particulele primite au E_la mai mare decât energia de legare din atom. Când această condiție este îndeplinită și se produce o coliziune, electronul este scos din uz. Acest lucru lasă o vacanță umplută cu o particulă cu un nivel de energie mai ridicat. Pe măsură ce mișcarea se mișcă, electronul emite energia radiată sub forma unui cuant de raze X. Aceasta se numește radiație caracteristică, deoarece fotonul E este o caracteristică a elementului chimic din care se face anodul. De exemplu, când un electron al nivelului K al tungstenului este scos cu E_comunicare= 69,5 keV, vacanța este umplută de un electron de la nivelul L cu E_comunicare= 10,2 keV. Fotonul cu raze X caracteristice are o energie egală cu diferența dintre aceste două nivele sau 59,3 keV.

De fapt, acest material anod conduce la apariția unui număr de energie caracteristică a raze X. Acest lucru se datorează faptului că electronii la diferite niveluri de energie (K, L etc.) pot fi eliminați prin bombardarea particulelor, iar locurile de muncă vacante pot fi umplute din diferite niveluri de energie. Deși umplerea vacanțelor la nivel de L generează fotoni, energiile lor sunt prea mici pentru a fi utilizate în imagistica diagnostică. Fiecărei energii caracteristice i se atribuie o denumire care indică orbita în care sa format postul vacant, cu un indice care indică sursa de umplere cu electroni. Indicele alfa (alfa) indică umplerea unui electron de la nivelul L, iar beta (beta-) indică umplerea de la nivelul lui M sau N.

• Spectrul de tungsten. Radiația caracteristică a acestui metal produce un spectru liniar compus din mai multe energii discrete, iar bremsstrahlung creează o distribuție continuă. Numărul de fotoni creați de fiecare energie caracteristică diferă în sensul că probabilitatea de umplere a unui post vacant de K depinde de orbital.
• Spectrul de molibden. Anodii din acest metal, folosiți pentru mamografie, produc două energii caracteristice ale energiei X: K-alpha la 17,9 keV și K-beta la 19,5 keV. Gama optimă de tuburi cu raze X, care permite obținerea celui mai bun echilibru între contrast și radiații pentru un sân de dimensiuni medii, este realizat cu E_f= 20 keV. Cu toate acestea, bremsstrahlung este produs de energii mari. În echipamentul de mamografie, se folosește un filtru de molibden pentru a îndepărta partea nedorită a spectrului. Filtrul funcționează în conformitate cu principiul margini K. Acesta absoarbe radiații care depășesc energia de legare a electronilor la nivelul K al atomului de molibden.
• Spectrul de rodiu. Rhodiul are un număr atomic de 45, iar molibdenul are 42. Prin urmare, radiația caracteristică a radiației X a anodului de rodiu va avea o energie puțin mai mare decât cea a molibdenului și mai penetrant. Acest lucru este folosit pentru a obține imagini de piept dens.

Anodii cu suprafețe duble de suprafață, molibden-rodiu, permit operatorului să aleagă o distribuție optimizată pentru glandele mamare de diferite mărimi și densități.

Influența KV asupra spectrului

Valoarea lui KV afectează puternic radiația caracteristică, deoarece nu va fi produsă dacă KV este mai mic decât energia electronilor de la nivelul K. Când KV depășește acest prag, cantitatea de radiație este, în mod obișnuit, proporțională cu diferența dintre tubul KV și pragul KV.

Spectrul energetic al fotonilor cu raze X emise de instrument este determinat de mai mulți factori. De regulă, ea constă din quanta bremsstrahlung și interacțiunea caracteristică.

Compoziția relativă a spectrului depinde de materialul anodului, KV și filtru. Într-un tub cu anod de tungsten, la KV nu se formează radiații caracteristice< 69,5 keV. La valori mai mari ale CV utilizate în studiile de diagnosticare, radiația caracteristică crește radiația totală la 25%. În dispozitivele din molibden, aceasta poate reprezenta cea mai mare parte a generației totale.

eficiență

Numai o mică parte a energiei furnizate de electroni este transformată în radiație. Partea principală este absorbită și transformată în căldură. Eficiența radiațiilor este definită ca fracțiunea din energia totală radiată din totalul electric, raportată la anod. Factorii care determină eficiența tubului cu raze X sunt tensiunea aplicată KV și numărul atomic Z. Raportul aproximativ este următorul:

• Eficiența = KV x Z x 10^-6.

Relația dintre eficiență și KV are un efect specific asupra utilizării practice a echipamentului cu raze X. Datorită generării de căldură, tuburile au o anumită limită în ceea ce privește cantitatea de energie electrică pe care o pot disipa. Acest lucru impune o limitare a puterii dispozitivului. Odată cu creșterea KV, cu toate acestea, cantitatea de radiație produsă pe unitatea de căldură este semnificativ crescută.

Dependența eficienței generării de raze X asupra compoziției anodice este de interes academic, deoarece majoritatea dispozitivelor utilizează tungsten. Excepțiile sunt molibden și rodiu, utilizate în mamografie. Eficiența acestor dispozitive este mult mai scăzută decât cea a tungstenului datorită numărului lor atomic inferior.

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 exprimă capacitatea dispozitivului de a converti energia particulelor încărcate în raze X. Permite determinarea expunerii pacientului și a imaginii. Ca eficiență, eficiența dispozitivului depinde de o serie de factori, inclusiv KV, forma de undă de tensiune, materialul anodic și gradul de deteriorare a suprafeței acestuia, filtrul și timpul de utilizare a dispozitivului.

Control KV

Tensiunea KV controlează în mod eficient radiația de ieșire a tubului cu raze X. De regulă, se presupune că producția este proporțională cu pătratul KV. Dublarea KV crește expunerea de 4 ori.

forme de undă

Forma de undă descrie modul în care KV variază în timp în procesul de generare a radiațiilor datorită naturii ciclice a sursei de alimentare. Există mai multe forme de undă diferite. Principiul general este acesta: cu cât forma KV este mai mică, cu atât radiația X este mai eficientă. În echipamentele moderne, se folosesc generatoare cu un KV relativ constant.

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 oferă peste 400 de tipuri diferite de tuburi medicale și industriale cu raze X. Alți producători bine-cunoscuți sunt Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong și alții.

În Rusia se produc tuburi cu raze X "Svetlana-Roentgen". În plus față de dispozitivele tradiționale cu un anod rotativ și staționar, compania produce dispozitive cu un catod rece, controlat de un flux de lumină. Avantajele dispozitivului sunt:

• lucrează în moduri continue și pulsate;
• lipsa de inerție;
• reglarea intensității actuale a LED-urilor;
• puritatea spectrului;
• posibilitatea obținerii de raze X de intensitate diferită.