Kako delujejo rentgenske cevi?

2024 Avtor: Curtis Blomfield | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-15 09:46

Rentgenski žarki nastanejo s pretvorbo energije elektronov v fotone, kar poteka v rentgenski cevi. Količino (izpostavljenost) in kakovost (spekter) sevanja lahko prilagodite s spreminjanjem toka, napetosti in časa delovanja naprave.

Načelo dela

Rentgenske cevi (fotografija je podana v članku) so pretvorniki energije. Jemljejo ga iz omrežja in ga spreminjajo v druge oblike – prodorno sevanje in toploto, ki je nezaželen stranski produkt. Zasnova rentgenske cevi je taka, da poveča proizvodnjo fotonov in čim hitreje odvaja toploto.

Cev je razmeroma preprosta naprava, ki običajno vsebuje dva temeljna elementa - katodo in anodo. Ko tok teče od katode do anode, elektroni izgubijo energijo, kar povzroči nastanek rentgenskih žarkov.

Anoda

Anoda je komponenta, ki oddajavisokoenergijski fotoni. To je relativno masiven kovinski element, ki je povezan s pozitivnim polom električnega tokokroga. Izvaja dve glavni funkciji:

pretvori energijo elektronov v rentgenske žarke,
odvaja toploto.

Anodni material je izbran za izboljšanje teh funkcij.

V idealnem primeru bi morala večina elektronov tvoriti visokoenergijske fotone, ne toplote. Delež njihove skupne energije, ki se pretvori v rentgenske žarke (učinkovitost), je odvisen od dveh dejavnikov:

atomska številka (Z) anodnega materiala,
energija elektronov.

Večina rentgenskih cevi uporablja volfram kot anodni material, ki ima atomsko število 74. Poleg velikega Z ima ta kovina še nekatere druge značilnosti, zaradi katerih je primerna za ta namen. Volfram je edinstven po svoji sposobnosti, da ohrani trdnost pri segrevanju, ima visoko tališče in nizko stopnjo izhlapevanja.

Veliko let je bila anoda izdelana iz čistega volframa. V zadnjih letih se je začela uporabljati zlitina te kovine z renijem, vendar le na površini. Sama anoda pod volfram-renijevim premazom je izdelana iz lahkega materiala, ki dobro shranjuje toploto. Dve takšni snovi sta molibden in grafit.

Rentgenske cevi, ki se uporabljajo za mamografijo, so izdelane z anodo, prevlečeno z molibdenom. Ta material ima vmesno atomsko število (Z=42), ki ustvarja karakteristične fotone z energijami, primernimi zaza slikanje prsi. Nekatere mamografske naprave imajo tudi drugo anodo iz rodija (Z=45). To vam omogoča, da povečate energijo in dosežete večjo penetracijo za tesne prsi.

Uporaba zlitine renij-volfram izboljšuje dolgotrajno moč sevanja - sčasoma se učinkovitost čistih volframovih anodnih naprav zmanjša zaradi toplotnih poškodb na površini.

Večina anod je oblikovanih kot poševni diski in so pritrjeni na gred elektromotorja, ki jih vrti pri relativno visokih hitrostih, medtem ko oddaja rentgenske žarke. Namen vrtenja je odstraniti toploto.

osrednja točka

Pri ustvarjanju rentgenskih žarkov ni vključena celotna anoda. Pojavi se na majhnem območju njegove površine - žariščni točki. Dimenzije slednjega so določene z dimenzijami elektronskega žarka, ki prihaja iz katode. V večini naprav ima pravokotno obliko in se giblje med 0,1-2 mm.

Rentgenske cevi so zasnovane z določeno velikostjo žariščne točke. Manjša kot je, manj zamegljena in ostrejša je slika, večja kot je, boljše je odvajanje toplote.

Velikost žariščne točke je eden od dejavnikov, ki jih je treba upoštevati pri izbiri rentgenskih cevi. Proizvajalci proizvajajo naprave z majhnimi goriščnimi točkami, ko je treba doseči visoko ločljivost in dovolj nizko sevanje. To je na primer potrebno pri pregledu majhnih in tankih delov telesa, kot pri mamografiji.

Rentgenske cevi se večinoma proizvajajo z dvema velikostima goriščne točke, veliko in majhno, ki ju lahko izbere operater v skladu s postopkom slikanja.

katoda

Glavna funkcija katode je generiranje elektronov in njihovo zbiranje v žarek, usmerjen proti anodi. Praviloma je sestavljen iz majhne žičnate spirale (navoja), potopljene v vdolbino v obliki skodelice.

Elektroni, ki prehajajo skozi vezje, običajno ne morejo zapustiti prevodnika in iti v prosti prostor. Vendar pa to zmorejo, če dobijo dovolj energije. V procesu, znanem kot toplotna emisija, se toplota uporablja za izgon elektronov iz katode. To postane mogoče, ko tlak v evakuirani rentgenski cevi doseže 10^-6–10^{-7 mmHg. Umetnost. Žarilna nitka se segreje na enak način kot žarilna nitka, ko skozenj teče tok. Delovanje rentgenske cevi spremlja segrevanje katode na žarečo temperaturo s premikom dela elektronov iz nje s toplotno energijo.}

Balon

Anoda in katoda sta v hermetično zaprti posodi. Balon in njegova vsebina se pogosto imenuje vložek, ki ima omejeno življenjsko dobo in ga je mogoče zamenjati. Rentgenske cevi imajo večinoma steklene žarnice, čeprav se za nekatere aplikacije uporabljajo kovinske in keramične žarnice.

Glavna funkcija balona je zagotavljanje podpore in izolacije za anodo in katodo ter vzdrževanje vakuuma. Tlak v izpraznjeni rentgenski cevipri 15°C je 1,2 10-3 Pa. Prisotnost plinov v balonu bi omogočila prosti pretok električne energije skozi napravo in ne le v obliki elektronskega žarka.

Zadeva

Zasnova rentgenske cevi je taka, da poleg tega, da zapira in podpira druge komponente, njeno telo služi kot ščit in absorbira sevanje, razen uporabnega žarka, ki gre skozi okno. Njegova relativno velika zunanja površina odvaja veliko toplote, ki nastane v notranjosti naprave. Prostor med ohišjem in vložkom je napolnjen z oljem za izolacijo in hlajenje.

veriga

Električno vezje povezuje cev z virom energije, imenovanim generator. Vir prejema napajanje iz omrežja in pretvarja izmenični tok v enosmerni. Generator vam omogoča tudi prilagajanje nekaterih parametrov vezja:

KV - napetost ali električni potencial;
MA je tok, ki teče skozi cev;
S – trajanje ali čas osvetlitve, v delcih sekunde.

Vezje zagotavlja gibanje elektronov. Napolnijo se z energijo, ki gre skozi generator, in jo dajo na anodo. Ko se premikata, se zgodita dve transformaciji:

potencialna električna energija se pretvori v kinetično energijo;
kinetika se nato pretvori v rentgenske žarke in toploto.

Potencial

Ko elektroni vstopijo v žarnico, imajo potencialno električno energijo, katere količina je določena z napetostjo KV med anodo in katodo. Rentgenska cev delujepod napetostjo, da ustvarimo 1 KV, od katerih mora imeti vsak delec 1 keV. S prilagajanjem KV operater vsakemu elektronu podari določeno količino energije.

Kinetika

Nizek tlak v evakuirani rentgenski cevi (pri 15°C je 10^-6–10^{-7 mmHg.) omogoča, da delci odletijo s katode na anodo pod delovanjem termoionske emisije in električne sile. Ta sila jih pospešuje, kar vodi do povečanja hitrosti in kinetične energije ter zmanjšanja potenciala. Ko delec zadene anodo, se njegov potencial izgubi in vsa njegova energija se pretvori v kinetično energijo. Elektron z močjo 100 keV doseže hitrost, ki presega polovico svetlobne hitrosti. Delci se ob udarcu zelo hitro upočasnijo in izgubijo svojo kinetično energijo. Spremeni se v rentgenske žarke ali toploto.}

Elektroni pridejo v stik s posameznimi atomi anodnega materiala. Sevanje nastane, ko delujejo z orbitalami (rentgenski fotoni) in z jedrom (zavorno svetlobo).

Energija povezave

Vsak elektron v atomu ima določeno vezno energijo, ki je odvisna od velikosti slednjega in nivoja, na katerem se delec nahaja. Energija vezave ima pomembno vlogo pri ustvarjanju značilnih rentgenskih žarkov in je potrebna za odstranitev elektrona iz atoma.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung proizvaja največje število fotonov. Elektroni, ki prodrejo v anodni material in prehajajo blizu jedra, se odklonijo in upočasnijoprivlačna sila atoma. Njihova energija, izgubljena med tem srečanjem, se prikaže kot rentgenski foton.

Spectrum

Le nekaj fotonov ima energijo blizu elektronov. Večina jih je nižjih. Predpostavimo, da obstaja prostor ali polje, ki obdaja jedro, v katerem elektroni doživijo "zavorno" silo. To polje lahko razdelimo na cone. To daje polju jedra videz tarče z atomom v središču. Elektron, ki zadene katero koli točko tarče, doživi upočasnitev in ustvari rentgenski foton. Delci, ki zadenejo najbližje središču, so najbolj prizadeti in zato izgubijo največ energije, pri čemer nastanejo fotoni z najvišjo energijo. Elektroni, ki vstopajo v zunanje cone, doživljajo šibkejše interakcije in ustvarjajo nižje energijske kvante. Čeprav imajo cone enako širino, imajo različno površino, odvisno od razdalje do jedra. Ker je število delcev, ki padejo na dano cono, odvisno od njene celotne površine, je očitno, da zunanje cone zajamejo več elektronov in ustvarijo več fotonov. Ta model se lahko uporablja za napovedovanje energijskega spektra rentgenskih žarkov.

E_max fotonov glavnega spektra zavornega sevanja ustreza E_{max elektronom. Pod to točko, ko se energija fotonov zmanjšuje, se njihovo število povečuje.}

Veliko število fotonov z nizko energijo se absorbira ali filtrira, ko poskušajo preiti skozi površino anode, okno cevi ali filter. Filtracija je na splošno odvisna od sestave in debeline materiala, skozi kateregažarek prehaja skozi, kar določa končno obliko nizkoenergijske krivulje spektra.

KV Influence

Visokoenergetski del spektra je določen z napetostjo v rentgenskih ceveh kV (kilovolt). To je zato, ker določa energijo elektronov, ki dosežejo anodo, fotoni pa ne morejo imeti potenciala višjega od tega. S kakšno napetostjo deluje rentgenska cev? Največja energija fotona ustreza največjemu uporabljenemu potencialu. Ta napetost se lahko med izpostavljenostjo spremeni zaradi izmeničnega omrežnega toka. V tem primeru je E_max fotona določena z najvišjo napetostjo obdobja nihanja KV_p.

Poleg kvantnega potenciala KV_p določa količino sevanja, ki ga ustvari dano število elektronov, ki zadenejo anodo. Ker se splošna učinkovitost zavornega sevanja poveča zaradi povečanja energije bombardirajočih elektronov, ki jo določa KV_p, sledi, da je KV_{pvpliva na učinkovitost naprave.}

Spreminjanje KV_{p običajno spremeni spekter. Skupna površina pod energijsko krivuljo je število fotonov. Brez filtra je spekter trikotnik, količina sevanja pa je sorazmerna s kvadratom KV. Ob prisotnosti filtra povečanje KV poveča tudi penetracijo fotonov, kar zmanjša odstotek filtriranega sevanja. To vodi do povečanja sevanja.}

Značilno sevanje

Vrsta interakcije, ki povzroči značilnostsevanje, vključuje trk hitrih elektronov z orbitalnimi. Do interakcije lahko pride le, če ima vhodni delec E_k večjo od vezne energije v atomu. Ko je ta pogoj izpolnjen in pride do trka, se elektron izvrže. V tem primeru ostane prosto mesto, ki ga zapolni delček višje energetske ravni. Ko se elektron premika, oddaja energijo, ki se oddaja v obliki rentgenskega kvanta. To se imenuje karakteristično sevanje, saj je E fotona značilnost kemičnega elementa, iz katerega je izdelana anoda. Na primer, ko se elektron iz K-nivoa volframa z E_vez=69,5 keV izloči, prazno mesto zapolni elektron z L-nivoa z E _{vez=10, 2 keV. Značilni rentgenski foton ima energijo, ki je enaka razliki med tema dvema nivojema ali 59,3 keV.}

Pravzaprav ta anodni material povzroči številne značilne energije rentgenskih žarkov. To je zato, ker se z bombardiranjem delcev lahko izločijo elektroni na različnih energijskih ravneh (K, L, itd.), prosta mesta pa se lahko zapolnijo z različnih energijskih nivojev. Čeprav zapolnjevanje prostih mest na ravni L ustvarja fotone, so njihove energije prenizke, da bi jih lahko uporabili pri diagnostičnem slikanju. Vsaka karakteristična energija ima oznako, ki označuje orbitalo, v kateri se je oblikovalo prosto mesto, z indeksom, ki označuje vir polnjenja elektronov. Indeks alfa (α) označuje zasedenost elektrona z ravni L, beta (β) pa označujepolnjenje iz stopnje M ali N.

Spekter volframa. Značilno sevanje te kovine proizvaja linearni spekter, sestavljen iz več diskretnih energij, medtem ko zavorno sevanje ustvarja neprekinjeno porazdelitev. Število fotonov, ki jih proizvede vsaka značilna energija, se razlikuje po tem, da je verjetnost zapolnitve praznega mesta na ravni K odvisna od orbitale.

Spekter molibdena. Anode te kovine, ki se uporabljajo za mamografijo, proizvajajo dve precej intenzivni karakteristični energiji rentgenskih žarkov: K-alfa pri 17,9 keV in K-beta pri 19,5 keV. Optimalni spekter rentgenskih cevi, ki omogoča doseganje najboljšega ravnovesja med kontrastom in dozo sevanja za srednje velike prsi, je dosežen pri E_{ph=20 keV. Vendar pa se zavorno sevanje proizvaja pri visokih energijah. Mamografska oprema uporablja molibdenski filter za odstranitev neželenega dela spektra. Filter deluje po principu "K-roba". Absorbira sevanje, ki presega vezno energijo elektronov na K-ravni atoma molibdena.}
Spekter rodija. Rodij ima atomsko številko 45, molibden pa atomsko številko 42. Zato bo imela značilna rentgenska emisija rodijeve anode nekoliko večjo energijo kot molibden in je bolj prodorna. To se uporablja za slikanje gostih prsi.

Molibden-rodijeve anode z dvojno površino omogočajo operaterju, da izbere porazdelitev, optimizirano za različne velikosti in gostote prsi.

Učinek KV na spekter

Vrednost KV močno vpliva na karakteristično sevanje, saj ne bo proizvedeno, če je KV manjši od energije elektronov na ravni K. Ko KV preseže ta prag, je količina sevanja na splošno sorazmerna z razliko med cevnim KV in pragom KV.

Energijski spekter rentgenskih fotonov, ki prihajajo iz instrumenta, je določen z več dejavniki. Praviloma je sestavljen iz zavornega sevanja in karakterističnih interakcijskih kvantov.

Relativna sestava spektra je odvisna od materiala anode, KV in filtra. V cevi z volframovo anodo se pri KV< 69,5 keV ne proizvaja karakteristično sevanje. Pri višjih vrednostih CV, ki se uporabljajo v diagnostičnih študijah, značilno sevanje poveča skupno sevanje do 25%. V molibdenovih napravah lahko predstavlja velik del celotne generacije.

Učinkovitost

Le majhen del energije, ki jo oddajo elektroni, se pretvori v sevanje. Glavni del se absorbira in pretvori v toploto. Učinkovitost sevanja je opredeljena kot delež celotne sevane energije od celotne električne energije, prenesene na anodo. Dejavnika, ki določata učinkovitost rentgenske cevi, sta uporabljena napetost KV in atomsko število Z. Primer razmerja je naslednji:

Učinkovitost=KV x Z x 10-6.

Razmerje med učinkovitostjo in KV ima poseben vpliv na praktično uporabo rentgenske opreme. Zaradi sproščanja toplote imajo cevi določeno omejitev količine električne energijeenergijo, ki jo lahko razpršijo. To nalaga omejitev moči naprave. Ko se KV poveča, pa se količina sevanja, proizvedenega na enoto toplote, znatno poveča.

Odvisnost učinkovitosti generiranja rentgenskih žarkov od sestave anode je le akademskega interesa, saj večina naprav uporablja volfram. Izjema sta molibden in rodij, ki se uporabljata v mamografiji. Učinkovitost teh naprav je veliko nižja od volframa zaradi nižjega atomskega števila.

Učinkovitost

Učinkovitost rentgenske cevi je opredeljena kot količina izpostavljenosti, v milirentgenih, dostavljena na točko v središču uporabnega žarka na razdalji 1 m od goriščne točke za vsak 1 mAs elektronov, ki prehajajo skozi napravo. Njegova vrednost izraža sposobnost naprave, da pretvori energijo nabitih delcev v rentgenske žarke. Omogoča določitev izpostavljenosti pacienta in slike. Tako kot učinkovitost je tudi učinkovitost naprave odvisna od številnih dejavnikov, vključno s KV, valovno obliko napetosti, materialom anode in poškodbami površine, filtrom in časom uporabe.

KV nadzor

KV učinkovito nadzoruje izhod rentgenske cevi. Na splošno se domneva, da je izhod sorazmeren kvadratu KV. Podvojitev KV poveča izpostavljenost za 4x.

valna oblika

Vala opisuje, kako se KV spreminja skozi čas med generiranjemsevanje zaradi ciklične narave napajanja. Uporablja se več različnih valovnih oblik. Splošno načelo je, da manj ko se spremeni oblika KV, bolj učinkovito se proizvajajo rentgenski žarki. Sodobna oprema uporablja generatorje z relativno konstantnim KV.

rentgenske cevi: proizvajalci

Oxford Instruments proizvaja različne naprave, vključno s steklenimi napravami do 250 W, potencialom 4-80 kV, goriščno točko do 10 mikronov in široko paleto anodnih materialov, vključno z Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian ponuja več kot 400 različnih vrst medicinskih in industrijskih rentgenskih cevi. Drugi znani proizvajalci so Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong itd.

Rentgenske cevi "Svetlana-Rentgen" se proizvajajo v Rusiji. Poleg tradicionalnih naprav z vrtljivo in stacionarno anodo podjetje proizvaja naprave s hladno katodo, ki jo nadzoruje svetlobni tok. Prednosti naprave so naslednje: