Hvordan fungerer røntgenrør?

Røntgenbilder blir generert ved å omforme energien til elektronene til fotoner, som forekommer i røntgenrøret. Mengde (eksponering) og kvalitet (spektrum) stråling kan bli justert ved endring av strøm, spenning og tid på instrumentet.

Prinsippet for operasjonen

Røntgenrør (foto gitt i en artikkel) er energiomformere. De mottar den fra nettet og omdannes til andre former - gjennomtrengende stråling og varme, det sistnevnte er et uønsket biprodukt. X-ray tube anordning slik at den maksimerer produksjonen av fotoner og bort varmen som så raskt som mulig.

Røret er en forholdsvis enkel anordning, som vanligvis omfatter to grunnleggende elementer - en katode og en anode. Når strøm går fra katoden til anoden, elektronene mister energi, noe som fører til genereringen av røntgenstråler.

anode

Anoden er en komponent, karakterisert ved at emisjonen av høyenergetiske fotoner som produseres. Dette er en relativt massiv metallelement som er forbundet med den positive pol av den elektriske kretsen. Den har to hovedfunksjoner:

• Den konverterer den elektronenergi til røntgenstråling,
• Det avleder varme.

Materialet for anoden er valgt for å forbedre disse funksjonene.

Ideelt sett bør det meste av elektroner danner en høy-energi fotoner, snarere enn å varme. Forholdet mellom total energi, som omdannes til X-stråling (COP) er avhengig av to faktorer:

• atomnummer (Z) av anodematerialet,
• elektronenergi.

I de fleste røntgenrør som et materiale av anoden anvendes wolfram, hvis atomnummer er lik 74. I tillegg til den store Z, har dette metall visse andre egenskaper som gjør det egnet for dette formål. Wolfram er enestående i sin evne til å opprettholde styrken når de oppvarmes, har et høyt smeltepunkt og en lav fordampningshastighet.

For mange år, er anoden laget av ren wolfram. I de senere årene, begynte vi å bruke denne metallegering med rhenium, men bare på overflaten. Selv anode under wolfram-rhenium belegg fremstilt av lett materiale, god varmelagring. To slike substanser er molybden og grafitt.

X-ray tube som brukes for mammografi, er laget med anoden, belagt med molybden. Dette materialet har et mellomliggende atomnummer (Z = 42), noe som genererer fotoner med karakteristisk energi, egnet for opptak av brystet. Enkelte mammografi enheter har også en andre anode, dannet fra rhodium (Z = 45). Dette gjør det mulig å øke energi og oppnå større gjennomtrengning for tett brystene.

Bruken av wolfram-rhenium legering forbedrer langtids stråling utgang - med tiden effektivitet enheter med anode laget av ren wolfram er redusert på grunn av termisk skade på overflaten.

Det meste av anoden har form av skrå skivene og er festet til motorakselen, som roterer dem ved relativt høye hastigheter ved tidspunktet for utslipp av røntgenstråler. Formålet med rotasjon - fjerning av varme.

brennpunktet

Den røntgengenerering delen ikke hele anoden. Det skjer i et lite område av overflaten - den brennpunktet. Dimensjoner sist bestemte størrelse av elektronstrålen som kommer fra katoden. I de fleste den har en rektangulær form varierer innenfor 0,1-2 mm-enheter.

Den x-ray tube design med en viss størrelse på brennpunktet. Jo mindre den er, jo mindre motion blur og høyere skarphet, og hva er mer, jo bedre varmespredning.

Focal spot størrelse er en faktor som må vurderes når du velger X-ray tube. Produsenter produsere enheter med liten brennpunktet, der det er nødvendig for å oppnå høy oppløsning og liten nok stråling. For eksempel er det nødvendig i studiet av små og delikate deler av kroppen, som i mammografi.

X-ray tube hovedsakelig produserer fokalflekkene med to størrelser - store og små, som kan velges av operatøren i samsvar med det bildedannende prosedyre.

katoden

Hovedfunksjonen av katoden - å generere elektroner og samle dem inn i en stråle som er rettet til anoden. Den består vanligvis av en liten spiraltråd (filament) innleiret i en skålformet forsenkning.

Elektroner som passerer gjennom kretsen kan normalt ikke forlate lederen og det er en klaring. Men de kan gjøre det, hvis de får nok energi. I en prosess som er kjent som termisk emisjon, varmen som brukes til å drive elektroner fra katoden. Dette blir mulig når trykket i en evakuert røntgenrøret når 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. Art. Garnet blir oppvarmet på samme måte som en spiral glødelampe ved at en strøm sendes gjennom dem. Arbeid katodestrålerør er ledsaget av oppvarming til en temperatur luminescens forskyvning varmeenergi fra disse elektroner.

ballong

Anoden og katoden er inneholdt i et forseglet hus - sylinder. Ballongen og dens innhold blir ofte referert til som en innsats, som har en begrenset levetid, og kan bli erstattet. Det røntgenrør som regel ha en glasskolbe, selv om metall og keramiske sylindere som brukes for visse anvendelser.

Den viktigste funksjon er å understøtte beholderen og isolering av anoden og katoden, og opprettholde vakuum. Trykket i det evakuerte røntgenrøret ved 15 ° C er 1,2 x 10 ^-3 Pa. Tilstedeværelsen av gass i tanken vil tillate strøm å flyte gjennom anordningen fritt, ikke bare i form av en elektronstråle.

bolig

X-ray tube apparat slik at i tillegg til kapslingen og støtte av andre komponenter, tjener det som et skjold legeme og absorberer strålingen, med unntak av de nyttige strålen som passerer gjennom vinduet. Dets relativt store ytre overflate forsvinner mest mulig av varmen som genereres i enheten. Rommet mellom mantelen og innsatsen er fylt med olje som gir isolasjon og avkjøling.

kjede

Den elektriske kretsen telefonen kobles til en strømkilde, som kalles en generator. Kilde drives fra nettet og omformer vekselstrømmen til likestrøm. Generatoren kan du også justere noen parametere av kjeden:

• KV - spenning eller elektriske potensial;
• MA - strøm som flyter gjennom røret;
• S - varighet eller eksponeringstiden, i brøkdeler av et sekund.

Kretsen gir bevegelse av elektroner. De er ladet med energi, passerer gjennom generatoren, og gi den til anoden. Som deres bevegelse foregår to transformasjoner:

• elektrisk potensiell energi blir omdannet til kinetisk energi;
• kinetisk i sin tur omdannes til X-ray stråling og varme.

potensial

Når elektronene kommer i kolben, de har en potensiell elektrisk energi, som er bestemt av mengden av KV spenning mellom anoden og katoden. Røntgenrøret ble drevet ved en spenning for å generere en KV som hver partikkel må ha en keV. Ved å justere KV, gir operatøren hvert elektron er en viss mengde energi.

Kinetikken

Lavt trykk i en evakuert røntgenrøret (ved 15 ° C er det 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. V.) gjør at partiklene under påvirkning av utslipp og thermionic elektrisk kraft som utsendes fra katoden til anoden. Denne kraft akselererer dem, noe som resulterer i økt hastighet og kinetiske energi og potensielle synkende. Når en partikkel lander på anoden, er dens potensial tapt, og alle dens energi omdannes til kinetisk energi. 100 keV elektron når en hastighet som er større enn halvparten av lysets hastighet. Slående overflaten av partikkelen er bremse ned svært raskt og mister sin kinetisk energi. Hun snur seg mot røntgenstråler eller varme.

Elektroner kommer i kontakt med de individuelle atomer av anodematerialet. Strålingen som genereres av deres interaksjon med orbitaler (X-ray fotoner), og med en kjerne (bremsestråling).

bindingsenergien

Hver elektron i et atom har en viss bindingsenergi, som avhenger av størrelsen av det sistnevnte og det nivået hvor partikkelen er plassert. Bindingsenergien spiller en viktig rolle i generering av de karakteristiske røntgenstråler og er nødvendig for å fjerne et elektron fra et atom.

bremsestråling

Bremsestråling produserer det største antall fotoner. Elektronene trenge inn i anodematerialet og som strekker seg nær kjernen, avbøyd eller bremses gravitasjonskraft atom. Deres energi tapt under dette møtet vises i form av røntgen foton.

spekter av

Bare noen få fotoner har en energi nær elektronenergi. De fleste av dem er det lavere. Anta at det er et mellomrom eller felt som omgir kjernen, karakterisert ved at elektronene erfaring force "hemming". Dette feltet kan deles inn i soner. Dette gir en oversikt over feltet kjerne av målet atom i midten. Elektronisk falle hvor som helst i målet bremses og genererer en X-ray foton. Partikler som faller nærmest sentrum, er mest utsatt, og derfor taper mest energi, produserer svært høy energi fotoner. Elektroner går inn i den ytre sone inne i en svak interaksjon og generere fotoner med lavere energi. Selv om området har samme bredde, at de har et forskjellig område avhengig av avstanden fra kjernen. Siden antallet av partikler som faller inn på sonen, er avhengig av den totale areal, er det klart at det utvendige området fange opp flere elektroner og føre til flere fotoner. energi røntgenspektrum kan forutsies ved denne modellen.

E _maks fotoner hovedbremsestråling spektrum svarende til e _maks elektroner. Under dette punktet, med minkende fotonenergi øker deres nummer.

Et betydelig antall fotoner med lav energi absorbert eller filtrert, som de forsøker å passere gjennom overflaten av anoden tube eller boks filter. Filtrering er generelt avhengig av sammensetningen og tykkelsen av det materiale gjennom hvilket strålen passerer, og dette bestemmer den endelige form av lav-energi-spektrumskurven.

innflytelse KV

Høyenergi-delen av spekteret bestemmer de spennings røntgenrør i kilovolt (kV). Dette er fordi den bestemmer energien til elektronene som når anoden, og fotoner kan ikke ha potensial som er større enn denne. Under noen spenning kjører X-ray tube? Den maksimale fotonenergi svarer til den maksimale påtrykte potensiale. Denne spenningen kan variere i løpet av eksponering på grunn av vekselstrømmen nettverket. I dette tilfellet, _Emaks toppspenning bestemmes ved foton-oscillasjonsperiode KV _s.

Videre potensiell kvanter, bestemmer KV _p mengden av stråling som genereres av et gitt antall av elektroner som når anoden. Siden den totale virkningsgraden av bremsestråling stråling økes ved den innfallende elektronenergi øker, noe som er bestemt KV _p, innebærer dette at den KV _p påvirker effektiviteten av anordningen.

Endring KV _p, vanligvis endre spekteret. Det totale areal under kurven representerer energien antall fotoner. Ufiltrert spektrum er en trekant, og strålingsmengden i samsvar med kvadratet KV. I nærvær av filteret øker også KV økning inntrengning av fotoner, som reduserer prosentandelen av den filtrerte stråling. Dette fører til økt stråle utbytte.

karakteristiske strålingen

Den type vekselvirkning som genererer den karakteristiske strålingen omfatter høyhastighets kollisjon med orbital elektroner. Interaksjon kan bare finne sted når en del E av _den partikkel har større enn bindingsenergien til et atom. Når denne betingelsen er oppfylt, og det er en kollisjon, elektronet er slått ut. Dette etterlater åpne stilling, som er fylt med partikkel et høyere energinivå. Idet vi beveger elektrons gir energi som sendes ut i form av røntgenfotonet. Den kalles den karakteristiske strålingen, ettersom E er foton karakteristiske kjemiske element fra hvilket anoden er fremstilt. For eksempel, når et elektron blir slått K wolfram lag _forbindelse med E = 69,5 keV, er den stilling fylt med et elektron fra L-nivå _{kommunikasjon} med E = 10,2 keV. Karakteristisk røntgenfotonet har en energi som er lik differansen mellom de to nivåer, eller 59,3 keV.

Faktisk fører anodematerialet til et antall karakteristiske røntgenstråle-energier. Dette skjer fordi elektronene ved forskjellige energinivåer (K, L, etc.) kan bli slått å bombardere partikler og stillingene kan være fylt med en rekke forskjellige energinivåer. Mens stillinger L-nivå frembringer fotoner og deres energi er for liten for bruk i diagnostisk billeddannelse. Hver karakteristisk energi er gitt en betegnelse som angir orbital, hvori en stilling, med en indeks som viser en elektronkilde påkrevet. alfa (α) angir indeksen for fylling elektron fra L-nivå, og beta (β) viser påfyllingsnivået i M eller N.

• Spectrum wolfram. Det karakteristiske strålingen til metallet frembringer en lineær spektrum som består av flere adskilte energier og bremse genererer kontinuerlig fordeling. Om antallet av fotoner som er opprettet av hver karakteristiske energi, karakterisert ved at sannsynligheten for å fylle den ledige K-nivå avhenger av orbital.
• Spectrum molybden. Anoder av denne metallet som brukes for mammografi, produsere to tilstrekkelig intens karakteristisk røntgenenergi: K-alfa ved 17,9 keV og K-beta ved 19,5 keV. Det optimale området for røntgenrør, noe som gjør det mulig å oppnå den beste balanse mellom kontrast og strålingsdose for den gjennomsnittlige bryststørrelse oppnås ved E _p = 20 keV. Men bremsestråling produsere mer energi. I mammografi utstyr for fjerning av uønskede deler av spekteret som anvendes molybden filter. Filteret fungerer på prinsippet om «K-edge ". Det absorberer stråling i overskuddselektronene bindingsenergi på K-nivå molybdenatom.
• Spekteret av rhodium. Rhodium har atomnummer 45, og molybden - 42. Derfor er de karakteristiske røntgenbilder av en rhodium anode vil ha en noe høyere energi enn for molybden og mer gjennomtrengende. Den brukes for å avbilde tette brystene.

Anoder med dobbeltsoverflatearealer, molybden, rhodium, gjør det mulig for operatøren å velge en fordeling optimalisert for brystene av forskjellig størrelse og tetthet.

Virkningen på spekteret KV

KV verdi påvirker i stor grad den karakteristiske strålingen, dvs. K. Det vil ikke bli produsert hvis mindre KV K-energinivå elektroner. Når KV overskrider denne terskelverdi, mengden av stråling er vanligvis proporsjonal med forskjellen og terskelen KV røret KV.

Energispekteret av fotoner av røntgenstrålen som slippes ut fra anordningen bestemmes av flere faktorer. Som regel består den av bremsestråling og den karakteristiske interaksjon.

Den relative sammensetningen av spekteret er avhengig av anodematerialet, KV og filter. I et rør med en wolframanode emisjonskarakteristikk ikke er dannet ved KV <69,5 keV. Ved høyere verdier av HF som anvendes i diagnostiske undersøkelser, øker karakteristiske strålingen den totale stråle til 25%. Molybden anordninger det kan nå en stor del av den totale produksjonskapasitet.

effektivitet

Bare en liten del av den energi som avgis av elektroner omdannes til stråling. Hovedfraksjonen absorberes og omdannes til varme. strålingseffektiviteten er definert som den fraksjon av den totale utstrålte effekt fra General Electric som meddeles anode. De faktorer som bestemmer effektiviteten til røntgenrøret er påført spenning KV og atomnummer Z. Den omtrentlige forholdet av de følgende:

• Effektivitet = KV x Z x 10 ^-6.

Forholdet mellom effektivitet og KV har en spesifikk effekt på praktisk bruk av røntgenutstyr. På grunn av varmeutviklingen av røret har en grense på antall elektrisk kraft at de kan forsvinne. Den pålegger kapasiteten til grensen for enheten. Med økende KV, vil imidlertid mengden av strålingen frembrakt av en av varme øker betydelig.

Avhengigheten av effektiviteten av røntgengenerering på sammensetningen av anoden er bare av akademisk interesse, fordi de fleste enheter anvendes wolfram. Et unntak er molybden og rhodium, benyttet i mammogram. Effektiviteten til disse enhetene er betydelig lavere for wolfram på grunn av deres lavere atomnummer.

effektivitet

Effektivitet X-ray tube er definert som mengden av bestråling millirentgenah levert til et punkt i sentrum av den utnyttbare bjelken i en avstand av 1 m fra fokalpunktet for hver 1 Mas elektroner som passerer gjennom enheten. Dens verdi representerer evnen av innretningen for å omdanne energien av de ladede partikler i røntgenstråling. Den lar deg bestemme riktig eksponering av pasienten, og snapshot. Som effektivitet, effektiviteten til anordningen avhenger av flere faktorer, blant annet KV, den spenningsbølgeform, anodematerialet og graden av overflateskade på filteranordningen, og tidspunktet for anvendelse.

KV-management

Spenning KV røntgenrør effektivt kontrollerer utgangs stråling. Som regel er det antatt at utgangen er proporsjonal med kvadratet av KV. Dobling KV eksponering øker 4 ganger.

bølgeform

Den bølgeform beskriver fremgangsmåten ved hvilken KV varierer med tiden i løpet av genereringen av stråling på grunn av den cykliske art av kraft. Brukte flere forskjellige bølgeformer. Det generelle prinsipp er: jo mindre endring i formen KV, er røntgenstråling som produseres effektivt. Den moderne utstyr som brukes generatorer med relativt konstant KV.

Røntgenrør: Produsenter

Oxford Instruments Firma produserer forskjellige enheter, inkludert glass, kraft til 250 W, 4-80 kV potensial, fokalpunktet 10 um og et stort utvalg av anodematerialer og t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian tilbyr over 400 ulike typer medisinske og industrielle røntgenrør. Andre kjente produsenter er Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong et al.

I Russland produserte røntgenrør "Svetlana-Roentgen". I tillegg til tradisjonelle enheter med roterende og stasjonære anode firma produserer anordninger av kald katode lysstrøm kontrollert. Fordeler med følgende enheter:

• arbeide i en kontinuerlig og puls modi;
• fravær av treghet;
• regulering av intensiteten av LED-strøm;
• spektrum renhet;
• muligheten for røntgenstråling av varierende intensitet.