Jak działają lampy rentgenowskie?

Promieniowanie rentgenowskie

powstaje przez przekształcenie energii elektronów w fotony, które występują w lampie rentgenowskiej. Ilość( ekspozycja) i jakość( widmo) promieniowania można regulować przez zmianę prądu, napięcia i czasu pracy przyrządu.

Zasada działania Lampy rentgenowskie

( zdjęcie podano w artykule) są przetwornikami energii. Dostają ją z sieci i przekształcają ją w inne formy - przenikliwe promieniowanie i ciepło, podczas gdy ta druga jest niepożądanym produktem ubocznym. Urządzenie lampy rentgenowskiej jest takie, że maksymalizuje produkcję fotonów i rozprasza ciepło tak szybko, jak to możliwe.

Rura jest stosunkowo prostym urządzeniem, zwykle zawierającym dwa podstawowe elementy - katodę i anodę.Kiedy prąd płynie z katody do anody, elektrony tracą energię, co prowadzi do generowania promieni rentgenowskich.

Anoda

Anoda jest składnikiem, w którym emitowane są fotony o dużej energii. Jest to względnie masywny element metalu, który łączy się z dodatnim biegunem obwodu elektrycznego. Pełni dwie główne funkcje:

• przekształca energię elektronów w promieniowanie rentgenowskie,
• rozprasza ciepło.

Materiał dla anody został wybrany w celu wzmocnienia tych funkcji.

Idealnie, większość elektronów powinna tworzyć wysokoenergetyczne fotony, a nie ciepło. Udział ich całkowitej energii, która jest przekształcana w promieniowanie rentgenowskie,( EFEKTYWNOŚĆ) zależy od dwóch czynników:

• liczba atomowa( Z) materiał anody, energia elektronowa
• .

W większości lamp rentgenowskich, wolfram jest używany jako materiał anodowy, którego liczba atomowa wynosi 74. Oprócz dużego Z, ten metal ma inne cechy, które czynią go odpowiednim do tego celu. Wolfram jest unikalny pod względem zdolności do utrzymania wytrzymałości po podgrzaniu, ma wysoką temperaturę topnienia i niski wskaźnik parowania.

Przez wiele lat anoda była wykonana z czystego wolframu. W ostatnich latach zaczęliśmy używać stopu tego metalu z renem, ale tylko na powierzchni. Sama anoda pod powłoką wolframowo-renową jest wykonana z lekkiego materiału, który dobrze gromadzi ciepło. Dwie takie substancje to molibden i grafit. Probówki rentgenowskie

do mammografii wykonane są z anodą pokrytą molibdenem. Materiał ten ma pośrednią liczbę atomową( Z = 42), która generuje charakterystyczne fotony o energiach dogodnych do fotografowania piersi. Niektóre przyrządy do mammografii mają również drugą anodę wykonaną z rodu( Z = 45).Pozwala to na zwiększenie energii i osiągnięcie większej penetracji dla gęstej klatki piersiowej.

Zastosowanie stopu renu-wolframu poprawia długoterminową wydajność promieniowania - z biegiem czasu wydajność urządzeń z anodą czystego wolframu zmniejsza się z powodu termicznego uszkodzenia powierzchni.

Większość anod ma kształt zukosowanych tarcz i jest przymocowana do wału silnika elektrycznego, który obraca je przy stosunkowo dużych prędkościach podczas emisji promieniowania rentgenowskiego. Celem obrotu jest usunięcie ciepła.

Focal spot

Cała anoda nie uczestniczy w generowaniu promieni Roentgena. Występuje na niewielkim obszarze jego powierzchni - ogniskowej. Wymiary tych ostatnich są określone przez wymiary wiązki elektronów wychodzącej z katody. W większości urządzeń ma kształt prostokątny i waha się w zakresie od 0,1 do 2 mm. Lampy rentgenowskie

są projektowane z pewną ogniskową wielkością plamki. Im jest on mniejszy, tym mniej rozmycia i ostrzejszy obraz, a im więcej, tym lepiej usuwane jest ciepło.

Rozmiar ogniskowej jest jednym z czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze lamp rentgenowskich. Producenci wytwarzają urządzenia z małymi ogniskowymi, gdy konieczne jest osiągnięcie wysokiej rozdzielczości i wystarczająco małego promieniowania. Na przykład jest to wymagane w badaniu małych i cienkich części ciała, jak w mammografii. Lampy rentgenowskie

są głównie produkowane z ogniskowych o dwóch rozmiarach - dużych i małych, które mogą być wybrane przez operatora zgodnie z procedurą tworzenia obrazu.

Katoda

Główną funkcją katody jest generowanie elektronów i gromadzenie ich w wiązce skierowanej na anodę.Z reguły składa się z małej spirali drucianej( filament) zanurzonej w zagłębieniu w kształcie miseczki.

Elektrony przechodzące przez obwód zwykle nie mogą opuścić przewodu i wejść na wolną przestrzeń.Mogą jednak to zrobić, jeśli mają wystarczająco dużo energii. W procesie znanym jako emisja termoniczna ciepło jest wykorzystywane do wypychania elektronów z katody. Stanie się to możliwe, gdy ciśnienie w pompowanej lampie rentgenowskiej osiągnie 10-6-10-7 mm Hg. Art.Żarnik jest podgrzewany w taki sam sposób jak żarnik żarówki, gdy przepływa przez nią prąd. Praca kineskop towarzyszy ogrzewanie do temperatury luminescencji przemieszczenia energii cieplnej od niego elektronów.

Cylinder

Anoda i katoda znajdują się w uszczelnionej obudowie cylindra. Balon i jego zawartość są często nazywane wkładkami o ograniczonej żywotności i można je wymienić.Lampy rentgenowskie mają głównie szklane żarówki, chociaż do niektórych zastosowań stosowane są metalowe i ceramiczne cylindry.

Podstawową funkcją cylindra jest zapewnienie podparcia i izolacji anody i katody oraz utrzymanie próżni. Ciśnienie w próżniowej probówce rentgenowskiej przy 15 ° C wynosi 1,2 · 10-3 Pa. Obecność gazów w cylindrze umożliwi swobodny przepływ energii elektrycznej przez urządzenie, a nie tylko w postaci wiązki elektronów.

obudowa

Urządzenie rentgenowska taki sposób, że oprócz osłanianie i podtrzymywanie innych składników, służy jako korpus osłonki i absorbuje promieniowania, z wyjątkiem użytecznego strumienia przechodzącego przez okno. Jego stosunkowo duża powierzchnia zewnętrzna rozprasza dużo ciepła wytwarzanego wewnątrz urządzenia. Przestrzeń między korpusem a wkładką wypełniona jest olejem, który zapewnia izolację i jej chłodzenie.

Circuit

Obwód elektryczny łączy rurę ze źródłem zasilania, zwanym generatorem.Źródło otrzymuje energię z sieci i przekształca prąd przemienny w stały. Generator umożliwia również dostosowanie niektórych parametrów obwodu:

• KV - napięcie lub potencjał elektryczny;
• MA - prąd płynący przez rurkę;
• S - czas trwania lub czas ekspozycji w ułamkach sekundy.

Łańcuch zapewnia ruch elektronów. Są naładowane energią, przechodzą przez generator i przekazują go anodzie. Gdy się poruszają, pojawiają się dwie transformacje:

• , potencjalna energia elektryczna zamienia się w kinetyczną;Z kolei kinetykę
• przekształca się w promieniowanie rentgenowskie i ciepło.

potencjału gdy elektrony dotrzeć w kolbie posiadają potencjał energii elektrycznej, która jest określona przez ilość kV napięcie pomiędzy anodą i katodą.Rurka rentgenowska działa pod napięciem, tworząc 1 KV, z którego każda cząstka powinna mieć 1 keV.Regulując KV, operator przypisuje każdemu elektronowi pewną ilość energii. Kinetyka

niskie ciśnienie w rurze próżniowej rentgenowskie( w temperaturze 15 ° C wynosi 10-6-10-7 torów. V.) pozwala cząstek pod działaniem siły emisji i termoelektronowej elektrycznym emitowane z katody do anody. Ta siła przyspiesza je, co prowadzi do wzrostu prędkości i energii kinetycznej oraz zmniejszenia energii potencjalnej. Kiedy cząsteczka uderzy w anodę, jej potencjał zostaje utracony, a cała jej energia trafia do energii kinetycznej. Elektron 100-keV osiąga prędkość przekraczającą połowę prędkości światła. Uderzając w powierzchnię, cząstki bardzo szybko zwalniają i tracą swoją energię kinetyczną.Zmienia się w promienie X lub ciepło.

Elektrony wchodzą w kontakt z poszczególnymi atomami materiału anody. Promieniowanie generowane przez ich interakcji z orbitali fotonów( promieni rentgenowskich), a także z rdzenia( Bremsstrahlung).

wiązania

energię elektronów w każdym atomie ma pewną energię wiązania, który zależy od wielkości tego ostatniego i poziomu, w którym cząsteczka się znajduje. Energia wiązania odgrywa ważną rolę w generowaniu charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego i jest niezbędna do usunięcia elektronu z atomu.

Światło hamowania

Promieniowanie hamulcowe wytwarza największą liczbę fotonów. Elektrony penetrujące materiał anodowy i przechodzące w pobliżu jądra są odchylane i spowalniane przez siłę przyciągania atomu. Ich energia, utracona podczas tego spotkania, pojawia się w postaci fotonu rentgenowskiego.

Spektrum

Tylko kilka fotonów ma energię zbliżoną do energii elektronów. Większość z nich jest niższa. Załóżmy, że istnieje przestrzeń lub pole otaczające jądro, w którym elektrony doświadczają siły "hamowania".To pole można podzielić na strefy. Daje to polu jądra postać celu z atomem w środku. Elektron, który uderza w dowolny punkt celu, ulega spowolnieniu i generuje foton promieniowania rentgenowskiego. Cząstki, które znajdują się najbliżej środka, są narażone na największy wpływ, a zatem tracą najwięcej energii, wytwarzając fotony o największej energii. Elektrony wchodzące do stref zewnętrznych doświadczają słabszych oddziaływań i generują kwanty o niższej energii. Chociaż strefy mają tę samą szerokość, mają one inny obszar, w zależności od odległości od rdzenia. Ponieważ liczba cząstek opadających na daną strefę zależy od jej całkowitej powierzchni, jest oczywiste, że strefy zewnętrzne wychwytują więcej elektronów i wytwarzają więcej fotonów. Zgodnie z tym modelem możliwe jest przewidywanie spektrum energetycznego promieniowania rentgenowskiego.

Emony fotonów podstawowego spektrum bremsstrahlung odpowiadają elektronom Emaxa. Poniżej tego punktu, wraz ze spadkiem energii kwantów, ich liczba wzrasta.

Znaczna liczba fotonów o niskich energiach jest pochłaniana lub filtrowana, ponieważ próbują przejść przez powierzchnię anody, okno rury lub filtr. Filtracja z reguły zależy od składu i grubości materiału, przez który przechodzi wiązka, co decyduje o ostatecznej formie krzywej niskoenergetycznej widma.

Wpływ KV

Wysokoenergetyczna część widma określa napięcie w lampach rentgenowskich kV( kilowoltach).Dzieje się tak, ponieważ określa energię elektronów docierających do anody, a fotony nie mogą mieć potencjału większego niż to. Pod jakim napięcie działa lampa rentgenowska? Maksymalna energia fotonu odpowiada maksymalnemu zastosowanemu potencjałowi. To napięcie może się zmieniać podczas ekspozycji z powodu prądu sieci prądu przemiennego. W tym przypadku Emax fotonu jest określony przez napięcie szczytowe okresu oscylacji KVp.

Oprócz potencjału kwantów, KVp określa ilość promieniowania wytwarzanego przez określoną liczbę elektronów wchodzących do anody. Ponieważ całkowita wydajność bremsstrahlung wzrasta ze względu na wzrost energii bombardujących elektrony, która jest określana przez KVp, wynika z tego, że KVp wpływa na wydajność urządzenia.

Zmiana KVp z reguły zmienia widmo. Całkowita powierzchnia pod krzywą energetyczną to liczba fotonów. Bez filtra spektrum jest trójkątem, a ilość promieniowania jest proporcjonalna do kwadratu KV.W obecności filtra wzrost KV również zwiększa przenikanie fotonów, co zmniejsza odsetek przefiltrowanego promieniowania. Prowadzi to do zwiększenia wydajności promieniowania.

Charakterystyczne promieniowanie

Typ interakcji, który wytwarza charakterystyczne promieniowanie, obejmuje zderzenie elektronów o dużej prędkości z orbitowaniem. Interakcja może wystąpić tylko wtedy, gdy nadchodząca cząstka ma Ek większą niż energia wiązania w atomie. Kiedy ten warunek zostanie spełniony i nastąpi kolizja, elektron zostanie znokautowany. Pozostawia to wakans wypełniony cząstką o wyższym poziomie energii. Gdy ruch się rusza, elektron emituje energię wypromieniowaną w postaci kwantu promieniowania rentgenowskiego. Nazywa się to promieniowaniem charakterystycznym, ponieważ foton E jest charakterystyczną cechą pierwiastka chemicznego, z którego wytwarzana jest anoda. Na przykład, gdy elektron K poziomu wolframu zostanie znokautowany połączeniem = 69,5 keV, wakans jest wypełniony elektronem z poziomu L z E = 10,2 keV.Charakterystyczny fotometr promieniowania X ma energię równą różnicy między tymi dwoma poziomami, czyli 59,3 keV.

W rzeczywistości ten materiał anodowy prowadzi do pojawienia się pewnej liczby charakterystycznej energii promieniowania rentgenowskiego. Dzieje się tak dlatego, że elektrony o różnych poziomach energii( K, L itd.) Mogą zostać znokautowane przez bombardujące cząstki, a puste miejsca mogą być wypełnione z różnych poziomów energii. Chociaż wypełnianie pustek na poziomie L generuje fotony, ich energie są zbyt małe, aby można je było wykorzystać w diagnostyce obrazowej. Każda charakterystyczna energia otrzymuje oznaczenie wskazujące orbitę, w której utworzono wakans, z indeksem wskazującym źródło wypełnienia elektronu. Indeks alfa( α) wskazuje na wypełnienie elektronu z poziomu L, a beta( β) wskazuje na wypełnienie z poziomu M lub N.

• Widmo wolframu. Charakterystyczne promieniowanie tego metalu wytwarza widmo liniowe składające się z kilku odrębnych energii, a bremsstrahlung tworzy ciągły rozkład. Liczba fotonów tworzonych przez każdą charakterystyczną energię różni się tym, że prawdopodobieństwo wypełnienia pustki na poziomie K zależy od orbity.
• Widmo molibdenu. Anody z tego metalu używane do mammografii dają dwie dość intensywne charakterystyczne energie promieniowania rentgenowskiego: K-alfa przy 17,9 keV i K-beta przy 19,5 keV.Optymalne widmo promieniowania rentgenowskiego, które zapewnia najlepszą równowagę między dawką kontrastu a dawką promieniowania dla średniej wielkości piersi, osiąga Ef = 20 keV.Jednak bremsstrahlung jest wytwarzany przez wysokie energie. W sprzęcie do mammografii stosuje się filtr molibdenowy w celu usunięcia niepożądanej części spektrum. Filtr działa zgodnie z zasadą K-edge. Pochłania promieniowanie, które przekracza energię wiązania elektronów na poziomie K atomu molibdenu.
• Spektrum rodu. Rod ma liczbę atomową 45, a molibden ma 42. Dlatego charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie anody rodowej będzie miało nieco wyższą energię niż molibden i będzie bardziej przenikliwe. Służy do uzyskania zdjęć gęstej piersi.

Anody o podwójnych powierzchniach molibdenu-rodu umożliwiają operatorowi wybór rozkładu zoptymalizowanego dla gruczołów sutkowych o różnej wielkości i gęstości.

Wpływ KV na widmo

Wartość KV silnie wpływa na charakterystyczne promieniowanie, ponieważ nie będzie ono wytwarzane, jeśli KV jest mniejsza niż energia elektronowa na poziomie K.Gdy KV przekracza ten próg, ilość promieniowania jest zwykle proporcjonalna do różnicy między rurką KV a progiem KV.

Spektrum energii fotonów rentgenowskich emitowanych z instrumentu zależy od kilku czynników. Z reguły składa się z kwantów bremsstrahlung i charakterystycznej interakcji.

Względny skład widma zależy od materiału anody, KV i filtra. W rurce z anodą wolframową, charakterystyczne promieniowanie nie powstaje w KV & lt;69,5 keV.Przy wyższych wartościach CV użytych w badaniach diagnostycznych charakterystyczne promieniowanie zwiększa całkowite promieniowanie do 25%.W urządzeniach molibdenowych może stanowić większość generacji.

Wydajność

Tylko niewielka część energii dostarczanej przez elektrony jest przetwarzana na promieniowanie. Główna część jest pochłaniana i przekształcana w ciepło. Wydajność promieniowania definiuje się jako ułamek całkowitej energii promieniowania z całkowitej energii elektrycznej, zgłoszonej do anody. Czynnikami determinującymi sprawność lampy rentgenowskiej są przyłożone napięcie KV i liczba atomowa Z. Przybliżony współczynnik jest następujący:

• Wydajność = KV x Z x 10-6.

Związek między wydajnością a KV ma szczególny wpływ na praktyczne wykorzystanie sprzętu rentgenowskiego. Ze względu na wytwarzanie ciepła, rury mają pewną granicę pod względem ilości energii elektrycznej, którą mogą rozproszyć.To nakłada ograniczenie na moc urządzenia. Wraz ze wzrostem KV ilość wytwarzanego promieniowania na jednostkę ciepła znacznie wzrasta.

Zależność wydajności generowania promieniowania rentgenowskiego od składu anody ma jedynie znaczenie naukowe, ponieważ większość urządzeń używa wolframu. Wyjątkiem są molibden i ród stosowane w mammografii. Wydajność tych urządzeń jest znacznie niższa niż w przypadku wolframu ze względu na ich niższą liczbę atomową.

Wydajność

rury Wydajność rentgenowskie określono jako ilość napromieniowania millirentgenah dostarczany do punktu znajdującego się w środku belki użyteczne w odległości 1 m od centralnego miejsca dla każdego MAS 1 elektronów przechodzących przez urządzenie. Jego wartość wyraża zdolność urządzenia do zamiany energii naładowanych cząstek na promieniowanie rentgenowskie. Umożliwia określenie ekspozycji pacjenta i zdjęcia. Ponieważ wydajność, efektywność urządzenia zależy od kilku czynników, w tym kV kształtu fali napięcia, materiał anody i stopnia uszkodzenia powierzchni do urządzenia filtracyjnego i czasu użytkowania.

KV sterowania napięcia

KV skuteczną kontrolę promieniowania wyjściowego lampy rentgenowskiej. Z reguły zakłada się, że wynik jest proporcjonalny do kwadratu KV.Podwojenie KV zwiększa ekspozycję o 4 razy.

przebiegu fali opisuje proces, w którym KV zmienia się z czasem w czasie generowania promieniowania ze względu na cykliczną naturę mocy. Stosuje się kilka różnych przebiegów. Ogólna zasada jest taka: im mniejszy kształt KV, tym wydajniejsze promieniowanie rentgenowskie jest wytwarzane. W nowoczesnym sprzęcie stosowane są generatory o względnie stałym KV.

lampy rentgenowskiej Producenci

firmy Oxford Instruments produkcją różnych urządzeń, takich jak szkło, moc do 250 W, 4-80 potencjału kV plamki ogniskowej 10 mikronów i szeroki zakres materiałów anody włączając Ag, Au, Cr, Co. .Cu, Fe, Mo, Pd, Rh i Ti, W.

Varian, zawiera ponad 400 różnych rodzajów lamp rentgenowskich medycznych i przemysłowych. Do innych znanych producentów jest Dunlee GE Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba IEA, Hangzhou Wandong, Kailong wsp. Lamp elektronopromieniowych

"Swietłana-X", wytwarzane w Rosji. Ponadto, oprócz tradycyjnego urządzenia z wirującym i stacjonarnym firmy anody wytwarza urządzenia z zimna katodą strumienia świetlnego kontrolowane. Zalety urządzenia są następujące:

• działa w trybach ciągłym i impulsowym;
• bezwładność;
• regulacja natężenia prądu diody LED;Czystość widma
• ;
• możliwość uzyskania promieniowania X o różnej intensywności.