Hogyan működnek a röntgencsövek?

A röntgensugarakat aaz elektronenergia fotonokká történő átalakítása, ami a röntgencsőben történik. A sugárzás mennyisége (expozíció) és minősége (spektrum) szabályozható a műszer áramának, feszültségének és működési idejének megváltoztatásával.

A működés elve

Röntgencsövek (a kép a cikkben található)energiátalakítók. A hálózattól kapják és átalakítják más formákba - behatoló sugárzás és hő, míg az utóbbi nemkívánatos melléktermék. A röntgenkészülék-berendezés olyan, hogy maximalizálja a fotonok termelését, és a lehető leggyorsabban szétteríti a hőt.

A cső viszonylag egyszerűAz eszköz rendszerint két fő elemet tartalmaz - egy katódot és egy anódot. Amikor az áram a katódról az anódra áramlik, az elektronok elveszítik az energiát, ami röntgensugarak előállításához vezet.

anód

Az anód az az összetevő, amelyben anagy energiájú fotonok kibocsátása. Ez egy viszonylag masszív fém elem, amely az elektromos áramkör pozitív pólusához kapcsolódik. Két fő funkciót lát el:

• átalakítja az elektronok energiáját röntgensugárzókká,
• elszivározza a hőt.

Az anód anyaga úgy van megválasztva, hogy növelje ezeket a funkciókat.

Ideális esetben a legtöbb elektronnak nagy energiájú fotonok kell lennie, nem pedig hő. A teljes energiájuknak, amelyet röntgensugaras sugárzássá alakítanak át, (EFFICIENCY) két tényezőtől függ:

• az anód anyagának (Z) atomszámát,
• az elektron energiája.

A legtöbb röntgencsőben, mint aAz anód anyaga volfrámot használ, amelynek atomszámszáma 74. A nagy Z mellett ez a fémnek vannak olyan jellemzői is, amelyek alkalmasak erre a célra. A volfrám egyedülálló abban a képességében, hogy fűtött állapotban fenntartsa az erőt, magas olvadáspontja és alacsony párolgási aránya van.

Sok éven át az anód tiszta voltvolfrám. Az elmúlt években a fém ötvözetét használták réniummal, de csak a felszínen. Maga az anód a volfrám-rénium bevonat alatt könnyű anyagból készül, amely jól hőt gyűjti. Két ilyen anyag a molibdén és a grafit.

Röntgencsövek használtmammográfia, molibdénnel bevont anóddal készült. Ez az anyag közbülső atomszámmal rendelkezik (Z = 42), amely jellegzetes fotonokat generál energiával, amely alkalmas a mellkas lövésére. Néhány mammográfiás eszköznek van egy második anódja ródiumból (Z = 45). Ez lehetővé teszi, hogy növelje az energiát és nagyobb tömeget tudjon elérni a szűk mellkas számára.

A rénium-volfrám ötvözet alkalmazása javulhosszú távú sugárzási teljesítmény - az idő múlásával a tiszta volfrám anóddal működő készülékek hatékonysága a felület hő okozta károsodása miatt csökken.

A legtöbb anódot ferde lemezekké alakítják.és a motor tengelyéhez van rögzítve, amely viszonylag nagy sebességgel elforgatja őket, miközben sugárzást ad. A forgatás célja a hőleadás.

Fókuszpont

A röntgensugárzás nem vesz résztegész anód. A felület egy kis felületén fordul elő - a fókuszpont. Az utóbbi méreteit a katódból érkező elektronsugár nagysága határozza meg. A legtöbb eszköz téglalap alakú és 0,1-2 mm tartományban változik.

A röntgencsöveket speciális fókuszpontmérettel tervezték. Minél kisebb, annál kevésbé homályos és annál nagyobb a kép tisztasága, annál nagyobb a hő, annál jobb a hő.

A fókuszpont nagysága az egyika röntgencsövek kiválasztásakor figyelembe veendő tényezők. A gyártók kis fókuszpontú eszközöket állítanak elő, ha nagy felbontású és meglehetősen kis sugárzást kell elérni. Ez például a test kicsi és vékony részeinek tanulmányozásához szükséges, mint a mammográfiában.

A röntgencsöveket főként két méretű, nagy és kisméretű fókuszpontokkal állítják elő, amelyeket az operátor a képalkotási eljárásnak megfelelően választhat ki.

katód

A katód fő funkciója az, hogy elektronokat generálnak, és összegyűjtsék őket egy anódra ható gerendává. Rendszerint egy csésze alakú bemélyedésbe merülő kis drótheli (filamentum) áll.

A láncon áthaladó elektronok általában nemhagyja el a karmestert, és menjen be a szabad helyre. Mindazonáltal ezt megtehetik, ha elég energiát kapnak. A hőkibocsátásnak nevezett folyamat során a hőt elektronok meghajtására használják ki a katódból. Ez akkor válik lehetővé, ha az evakuált röntgencsőben a nyomás eléri a 10 értéket^-6-10^-7 mm Hg Art. A menet ugyanúgy melegszik, mint egy izzólámpa tekercs, áthaladva az áramot. A röntgencső munkáját a katód a lumineszcens hőmérsékletre történő melegítésével kapcsolja az elektron részek hőenergiával történő elmozdulásával.

ballon

Az anód és a katód egy zárt helyiségben található -a ballon. A léggömböt és annak tartalmát gyakran olyan betétnek nevezik, amely korlátozott élettartammal rendelkezik és helyettesíthető. A röntgencsövek főként üvegpalackok vannak, bár egyes alkalmazásokhoz fém- és kerámiahengereket használnak.

A ballon fő funkciója az anód és a katód támogatása és szigetelése, valamint a vákuum fenntartása. A szivattyúzott röntgencsőben a nyomás 15 ° C-on 1,2 · 10^-3 Pa. A gázok jelenléte a hengerben lehetővé tenné, hogy a villamos áram szabadon áramolhasson az eszközön keresztül, és ne csak egy elektronsugár formájában.

ház

A röntgenkészülék-berendezés olyan, hogy aA kerítés és a többi alkatrész alátámasztása mellett teste pajzsként szolgál, és elnyeli a sugárzást, kivéve az ablakon áthaladó hasznos gerendát. Viszonylag nagy külső felülete megóvja a készülék belsejében keletkező hő nagy részét. A burkolat és a betét közötti tér tele van olajjal, szigeteléssel és hűtéssel.

lánc

Egy elektromos áramkör kapcsolja a csövet a forráshozenergia, amelyet generátornak neveznek. Az áramforrás hálózati feszültséggel működik és a váltakozó áramot egyenáramba alakítja. A generátor lehetővé teszi az áramkör egyes paramétereinek beállítását is:

• KV - feszültség vagy elektromos potenciál;
• MA az az áram, amely a csőben áramlik;
• S az expozíció időtartama vagy ideje, másodperc törtrészében.

A lánc biztosítja az elektronok mozgását. Energiával töltik, áthaladva a generátoron, és átadják az anódnak. Ahogy mozognak, két átalakulás következik be:

• a potenciális elektromos energia kinetikává alakul;
• kinetikus, viszont átalakul x-sugarak és hő.

potenciális

Amikor az elektronok belépnek egy lombikba, rendelkeznekpotenciális elektromos energiát, amelynek összegét az anód és a katód közötti KV feszültség határozza meg. A röntgencső feszültség alatt működik, hogy 1 KV-ot hozzon létre, amelyből minden részecske 1 keV-nek kell lennie. A KV beállításával az üzemeltető egy bizonyos energiát ad az egyes elektronoknak.

kinetika

Alacsony nyomás az evakuált röntgencsőben (15 ° C-on 10 ° C^-6-10^-7 mm Hg Art.) lehetővé teszi, hogy a részecskék a termikus emisszió és az elektromos erő hatására a katódból az anódba repüljenek. Ez az erő felgyorsítja azokat, ami a sebesség és a kinetikus energia növekedéséhez és a potenciálcsökkenéshez vezet. Ha egy részecske eltalálja az anódot, annak potenciálja elveszik, és minden energiája kinetikusvá válik. A 100 keV-os elektron eléri a fénysebesség felénél nagyobb sebességet. A felülethez ütközik, a részecskék nagyon gyorsan lassulnak, és elvesztik kinetikus energiájukat. Röntgensugarakká vagy hővé válik.

Az elektronok érintkeznek az anód anyagának egyes atomjával. A sugárzás akkor keletkezik, amikor kölcsönhatásba kerülnek a pályákkal (röntgensugár-fotonok) és a maggal (bremsstrahlung).

Bond energia

Minden atom elektronon belül vanegy bizonyos kötési energiát, amely az utóbbi mérettől és a részecskék elhelyezkedési szintjétől függ. A kötési energia fontos szerepet játszik a jellemző röntgensugarak előállításában, és szükséges ahhoz, hogy egy atomot távolítsunk el egy atomról.

bremsstrahlung

A Bremsstrahlung a legtöbbet termelia fotonok száma. Az anód anyagán áthaladó és a maghoz közelebb eső elektronokat az atom vonzásának ereje elhomályosítja és lelassítja. Energiájuk, mely e találkozó során elveszett, röntgenképi fotonként jelenik meg.

tartományban

Csak néhány foton van energiával közelelektronenergia. Legtöbbjük alacsonyabb. Tegyük fel, hogy van egy olyan tér vagy mező, amely körülveszi a magot, amelyben az elektronok a "lassulás" erejét tapasztalják. Ez a mező zónákra osztható. Ez megadja a magnak a mezőnek a középpontba eső atom célját. A célpont bármely pontján belépő elektron fékezhető, és röntgenképi fotont hoz létre. A centrumhoz legközelebb eső részecskék a leginkább érintettek, ezért elveszítik a leginkább energiát, és a legmagasabb energiafotonokat termelik. A külső zónákba belépő elektronok gyengébb kölcsönhatásokat tapasztalnak és kisebb mennyiségű energiát generálnak. Bár a zónák ugyanolyan szélességűek, a magtól való távolságtól függően eltérő területük van. Mivel az adott zónára eső részecskék száma a teljes területétől függ, nyilvánvaló, hogy a külső zónák több elektront ragadnak és több fotont hoznak létre. E modell szerint meg lehet becsülni a röntgensugarak energiaspektrumát.

E_max a fő bremsstrahlung spektrum fotonjai megfelelnek az E_max elektronok. Ettől a ponttól, ahogy a kvantum energiája csökken, számuk növekedni fog.

Jelentős számú alacsony energiafelvételű fotonfelszívódnak vagy szûrnek, miközben megpróbálnak áthaladni az anód, a csõ ablak vagy a szûrõ felületén. A szűrés általában az anyag összetételétől és vastagságától függ, amelyen keresztül a gerenda áthalad, ami meghatározza az alacsony energia spektrum görbe végső formáját.

KV Impact

A spektrum nagy energiájú része meghatározzafeszültség a röntgencsövekben kV (kilovolt). Ez azért van, mert meghatározza az elektronok energiáját, amely elérte az anódot, és a fotonok nem lehetnek nagyobbak annál. Melyik feszültség alatt működik a röntgencső? A maximális fotonenergia megfelel a maximálisan alkalmazott potenciálnak. Ez a feszültség a váltakozó áramú hálózat okozta expozíció során változhat. Ebben az esetben E_max a fotont a KV oszcillációs periódus csúcsfeszültsége határozza meg_p.

A kvantum mellett a KV_p meghatározza a keletkező sugárzás mennyiségétmivel az elektronok száma az anódra esik. Mivel a bremsstrahlung általános hatékonysága a bombázó elektronok energiájának növekedésével magyarázható, amelyet a KV_pakkor következik, hogy a KV_p befolyásolja a készülék hatékonyságát.

KV változás_páltalában megváltoztatja a spektrumot. Az energia-görbe alatti teljes terület a fotonok száma. Szűrő nélkül a spektrum egy háromszög, és a sugárzás mennyisége arányos a KV négyzetével. Szűrővel a KV növekedése növeli a fotonok penetrációját is, ami csökkenti a szűrt sugárzás százalékos arányát. Ez a sugárzási teljesítmény növekedéséhez vezet.

Jellemző sugárzás

Az interakció típusa, amely előálljellegzetes sugárzás, magában foglalja a nagysebességű elektronok orbitális ütközését. Az interakció csak akkor léphet fel, ha a bejövő részecske E-val rendelkezik_hogy nagyobb, mint az atomban lévő kötési energia. Ha ez a feltétel teljesül, és ütközés következik be, az elektron kiüresedik. Ezzel egyidejűleg egy magasabb energiaszintű részecske által töltött üresedés marad. Ahogy mozog, az elektron ad el energiát kibocsátva röntgen kvantum formájában. Ezt nevezik jellegzetes sugárzásnak, mivel egy foton E egy olyan kémiai elem jellemzője, amelyből az anód készült. Például ha egy K-szintű volfrám elektronja kiüti az E-t_közlés= 69,5 keV, az üresedést egy L-szinttel ellátott elektronral tölti ki_közlés= 10,2 keV. A jellemző röntgen-foton energiája egyenlő a két szint közötti különbséggel, azaz 59,3 keV-val.

Valójában ez az anódanyag vezeta röntgensugarak számos jellegzetes energiájának megjelenése. Ez azért van így, mert különböző energiaszinten (K, L, stb.) Lévő elektronok kiüthetők részecskék bombázásával, és a betölthető helyek különböző energiaszintekből tölthetők. Bár az L-szintű álláshelyek kitöltése fotonokat generál, energiájuk túl kicsi ahhoz, hogy a diagnosztikai képalkotásban használhassák azokat. Minden karakterisztikus energiának olyan szimbólumot adnak, amely jelzi azt az orbitátot, amelyben az üresedés képződött, egy indexgel, amely jelzi az elektron töltésének forrását. Az alfa index (α) egy elektron töltését jelöli az L-szintről, és a béta (β) jelöli a töltést az M vagy N szintről.

• A volfrám spektruma. A fém jellegzetes sugárzásatöbb diszkrét energiát tartalmazó lineáris spektrumot termel, és a fékezési spektrum folyamatos eloszlást eredményez. Az egyes karakterisztikus energiák által létrehozott fotonok száma különbözik abban az értelemben, hogy a K-szintű üresedés betöltésének valószínüsége függ a pályától.
• Molibdén spektrum. Ennek a fémnek az anódjaimammográfiával két, meglehetősen intenzív röntgensugárzási energiát termelnek: a K-alfa 17,9 keV és a K-béta 19,5 keV-nál. A röntgencsövek optimális tartománya, amely lehetővé teszi a legjobb egyensúlyt a kontraszt és a sugárzás dózisa között egy közepes méretű mellkasnál, az E_f= 20 keV. Azonban a bremsstrahlungot nagy energiák termelik. A mammográfiás berendezésben molibdénszűrőt alkalmaznak a spektrum nem kívánt részének eltávolítására. A szűrő a "K-él" elvén működik. Elnyeli a molibdénatom K-szintjén lévő elektronok kötési energiáját meghaladó sugárzást.
• Ródium spektrum A ródium atomszámszáma 45, és a molibdén - 42. Ezért a ródium anód jellegzetes röntgensugárjainak valamivel több energiája van, mint a molibdéné, és jobban behatolnak. Sűrű mellek képének megszerzésére szolgál.

A kettős felületi területű anódok, a molibdén-ródium, lehetővé teszik a kezelő számára, hogy kiválassza a különböző méretű és sűrűbb emlőmirigyek számára optimalizált elosztást.

A KV hatása a spektrumra

A KV érték határozottan befolyásolja a jellemzőtsugárzás, mivel nem keletkezik, ha a KV kisebb, mint a K-szint elektronenergiája. Ha a KV meghaladja ezt a küszöbértéket, akkor a sugárzás mennyisége általában arányos a cső KV és a KV küszöbértékkel.

A műszerből kilépő röntgensugár fotonjainak energiaspektrumát számos tényező határozza meg. Rendszerint gátló és jellegzetes interakciós kvantumból áll.

A spektrum relatív összetétele az anyagtól függanód, KV és szűrő. Egy volfrám-anódos csőben a jellemző sugárzás nem keletkezik KV <69,5 keV-nál. A diagnosztikai vizsgálatok során alkalmazott KV magasabb értékei esetén a jellemző sugárzás akár 25% -kal növeli a teljes sugárzást. A molibdén eszközökben a teljes generáció nagy részét képezheti.

hatékonyság

Csak az energia kis része szállítottelektronok által, sugárzássá alakulnak át. A fő részesedést felszívják és hővé alakítják. A sugárzás hatékonyságát úgy határozzuk meg, mint az anódra átadott teljes villamos energia teljes sugárzott energiájának töredékét. A röntgencső hatékonyságát meghatározó tényezők az alkalmazott KV feszültség és a Z atomszám. A hozzávetőleges arány a következő:

• Hatékonyság = KV x Z x 10^-6.

A hatékonyság és a KV közötti kapcsolatspecifikus hatása a röntgenberendezések gyakorlati használatára. A hőtermelésnek köszönhetően a csövek bizonyos mértékig korlátozzák az elfogyasztható elektromos energia mennyiségét. Ez korlátozza a készülék teljesítményét. A KV növekedésével azonban az egységnyi hőn elért sugárzás mennyisége jelentősen megnő.

A hatékonyság függéseAz anódkompozícióból származó röntgensugárzás csak tudományos érdeklődéssel bír, mivel a legtöbb eszköz volfrámot használ. Kivételt képeznek a molibdén és a ródium, amelyeket mammográfiában alkalmaznak. Ezeknek az eszközöknek a hatékonysága alacsonyabb atomszámuk miatt sokkal alacsonyabb, mint a volfrám.

hatékonyság

A röntgencső hatékonyságát a következők határozzák meg:mint a hasznos sugár közepén lévő pontra jutó besugárzás mennyisége 1 m távolságra a fókuszponttól az eszközön áthaladó elektronok 1 mAc-jéhez képest. Értéke kifejezi a készülék azon képességét, hogy a feltöltött részecskék energiáját röntgensugárokká alakítsa. Lehetővé teszi a beteg és a pillanatkép expozíciójának meghatározását. A hatásfok mellett a készülék hatékonysága számos tényezőtől függ, beleértve a KV-t, a feszültséghullámformát, az anódanyagot és a felületének, a szűrőnek és a készülék használatának idejét.

KV menedzsment

A KV feszültség hatékonyan szabályozza a röntgencső kimeneti sugárzását. Általában feltételezzük, hogy a kimenet a KV négyzetével arányos. A KV megduplázása négyszeresére növeli az expozíciót.

hullámforma

A hullámforma leírja a módotAz áramellátás ciklikus jellege miatt a sugárzás generálása során a KV idővel változik. Számos különböző hullámformát használnak. Az általános elv az, hogy minél kisebb a KV alakja, annál hatékonyabb az X-sugarak. A modern berendezésekben viszonylag állandó KV generátorokat használnak.

Röntgencsövek: Gyártók

Az Oxford Instruments cég különböző termékeket gyártkészülékek, beleértve a legfeljebb 250 W-os üvegkapacitást, 4–80 kV-os potenciál, 10 mikronos fókuszpont és az anódanyagok széles köre, beleértve az Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti W.

Varian több mint 400 különböző típusú terméket kínál.orvosi és ipari röntgencsövek. Egyéb ismert gyártók a Dunlee, a GE, a Philips, a Shimadzu, a Siemens, a Toshiba, az IAE, a Hangzhou Wandong, a Kailong stb.

Röntgencsöveket gyártanak Oroszországban"Svetlana-Röntgen". A hagyományos forgó és álló anódos eszközök mellett a cég hideg katóddal rendelkező eszközöket is gyárt, amelyeket a fényáram szabályoz. A készülék előnyei a következők:

• folyamatos és impulzus üzemmódban dolgozzon;
• hiányában tehetetlenségi;
• LED intenzitás szabályozás;
• spektrum tisztasága;
• a változó intenzitású röntgensugárzás lehetősége.
</ ul </ p>