Como os tubos de raios X funciona?

Os raios X son xerados a través da conversión da enerxía dos electróns de fotóns, que ocorre no tubo de raios-X. Cantidade (exposición) ea calidade de radiación (espectro) pode axustarse cambiando a corrente, tensión e tempo do instrumento.

principio de funcionamento

tubos de raios X (foto dada no artigo) son conversores de enerxía. Eles recibila lo a partir da rede e convertido noutras formas - radiao penetrante e calor, o último é un produto secundario non desexado. de raios X do dispositivo de tubo de tal xeito que maximiza a produción de fotóns e disipa a calor tan axiña como sexa posible.

O tubo é un dispositivo relativamente simple, que comprende tipicamente dous elementos básicos - un cátodo e un ánodo. Cando a corrente flúe desde o cátodo ao ánodo, os electróns perder enerxía, o que conduce á xeración de raios-X.

anódio

O ánodo é un compoñente, en que a emisión de fotóns de alta enerxía producida. Este é un elemento relativamente maciza de metal, que está conectado ao polo positivo do circuíto eléctrico. Ten dúas funcións principais:

• El converte a enerxía electrónica en radiación de raios X,
• El disipa a calor.

O material para o ánodo é seleccionado para aumentar estas funcións.

Ideal, a maior parte dos electróns deben formar un fotóns de alta enerxía, en vez de calor. Proporción de enerxía total, que é convertida en radiao-X (COP) depende de dous factores:

• número atómico (Z) do material do ánodo,
• enerxía de electróns.

Na maior parte dos tubos de raios X como un material do ánodo usado tungsteno, cuxo número atómico é igual a 74. Ademais da gran Z, este metal ten certas outras características que o fan axeitado para este propósito. Tungsteno e único na súa capacidade para manter a forza cando Calefacción, ten un punto de fusión elevado e unha baixa taxa de evaporación.

Por moitos anos, o ánodo está feito de volframio puro. Nos últimos anos, comezamos a usar esta aliaxe de metal co renio, pero só na superficie. ánodo auto baixo o revestimento de tungsteno-renio feito de material lixeiro, ben con almacenamento de calor. Dúas destas substancias son molibdeno e grafito.

O tubo de raios X utilizados para a Mamografía, faise co ánodo, revestido con molibdeno. Este material ten un número atómico intermedio (Z = 42), que xera fotóns con enerxía característica, axeitadas para a gravación de peito. Algúns dispositivos de Mamografía ter un segundo ánodo, formado a partir de ródio (Z = 45). Isto fai posible para aumentar a enerxía e acadar unha maior penetración de mamas densas.

O uso de aliaxe de tungsteno-renio mellora a saída de radiación de longo prazo - dispositivos de eficiencia tempo con ánodo fixo de tungsteno puro é reducido debido a danos térmicos á superficie.

A maior parte do ánodo ten a forma dos discos cónicos e fixado ó eixe do motor, o que lles roda a velocidades relativamente elevadas, no momento da emisión de raios X. O obxectivo da rotación - a eliminación de calor.

punto focal

A parte de xeración de raios X non todo o ánodo. Ocorre nunha pequena área da súa superficie - o punto focal. Dimensións última determinado tamaño do feixe de electróns procedente do cátodo. Na maioría dos que ten unha forma rectangular varía dentro de dispositivos de 0,1-2 mm.

O deseño do tubo de raios X con un certo tamaño da mancha focal. Canto menor ela sexa, menos motion blur e maior nitidez, eo que é máis, mellor disipación da calor.

tamaño do punto focal é un factor que debe ser considerado cando se escolle o tubo de raios-X. Os fabricantes producen dispositivos con pequeno punto focal, onde é necesario para acadar alta resolución e radiación suficiente pequena. Por exemplo, é necesario o estudo de partes pequenas e delicadas do corpo como na Mamografía.

O tubo de raios X prodúcense principalmente puntos focais con dous tamaños - grandes e pequenos, que poden ser seleccionadas polo operador de acordo co procedemento de formación de imaxes.

cátodo

A principal función do cátodo - para xerar electróns e recolléndose os nun feixe dirixido ao ánodo. El adoita formado por un fío en espiral (filamento) encaixado nun receso en forma de copa.

Electróns que atravesan o circuíto normalmente non pode deixar o condutor e deixar un espazo libre. Con todo, poden facelo, se obter enerxía suficiente. Nun proceso coñecido como emisión térmica, a calor usado para expelir os electróns do cátodo. Isto é posible cando a presión dun tubo de raios X evacuado alcanza 10 ^{-6 -7} -10 Torr. Art. O fío é Calefacción do mesmo xeito como unha lámpada de filamento en espiral por paso dunha corrente a través da mesma. tubo de raios catódicos traballo é acompañado por calefacción a unha temperatura de luminecencia desprazamento enerxía térmica de aí os electróns.

globo

O ánodo e cátodo están contidos nunha caixa estanca - cilindro. O globo eo seu contido é moitas veces referida como unha inserción, que ten unha vida útil limitada e pode ser substituído. O tubo de raios X teñen, xeralmente, unha ampola de vidro, a pesar de metal e cerámica cilindros utilizan para algunhas aplicacións.

A función principal é soportar o recipiente eo illamento do ánodo eo cátodo, eo mantemento de baleiro. A presión no tubo de raios X evacuado a 15 ° C e de 1,2 x 10 ^-3 Pa. A presenza de gas no tanque permitiría electricidade a fluír a través do dispositivo libremente, non só baixo a forma dun feixe de electróns.

vivenda

aparello de tubo de raios X para que, ademais do invólucro e soporte de outros compoñentes, que serve como un corpo de Blindaxe e absorbe a radiación, agás para o feixe útil que pasa a través do diálogo. A súa relativamente grande superficie externa disipa a maior parte da calor xerada no seu dispositivo. O espazo entre o invólucro ea inserción está cheo con aceite que proporciona illamento e arrefriándoo-o.

cadea

O circuíto eléctrico conecta o teléfono a unha fonte de enerxía, que se chama un xerador. Fonte funciona a partir da rede e converte a corrente alterna en corrente continua. O xerador tamén permite axustar algúns parámetros da cadea:

• KV - Tensión ou potencial eléctrico;
• MA - corrente que flúe a través do tubo;
• S - duración ou tempo de exposición, en fraccións de segundo.

O circuíto ofrece o movemento de electróns. Son acusados de enerxía, pasando polo xerador, e darlle a ánodo. Como o seu movemento ocorre dúas transformacións:

• enerxía potencial eléctrica é convertida en enerxía cinética;
• cinética, á súa vez, é convertido en radiación de raios X e de calor.

potencial

Cando os electróns chegar no globo, que posúen potencial de enerxía eléctrica, que é determinada pola cantidade de tensión de kV entre o ánodo eo cátodo. O tubo de raios X foi operada a unha voltaxe para xerar unha KV que cada partícula debe ter unha keV. Ao axustar a KV, o operador da cada electrón é unha certa cantidade de enerxía.

cinética

De baixa presión nun tubo de raios X evacuado (a 15 ° C e 10 ^{-6 -7} -10 Torr. V.) permite que as partículas baixo a acción de emisión e forza eléctrica incandescente emitida desde o cátodo ao ánodo. Esta forza acelera-los, obtendo maior velocidade e enerxía cinética e potencial descendente. Cando unha partícula aterra no ánodo, o seu potencial é perdida, e toda a súa enerxía é convertida en enerxía cinética. de electróns de 100 keV alcanza unha velocidade maior que a metade da velocidade da luz. Golpear a superficie da partícula está a abrandar moi rapidamente e perden a súa enerxía cinética. Ela se vira para raios X ou calor.

Electróns entrar en contacto cos átomos individuais do material do ánodo. A radiación xerada pola súa interacción con orbitais (fotóns de raios X), e cun núcleo (bremsstrahlung).

enerxía de conexión

Cada electróns nun átomo ten unha certa enerxía ligao, que depende do tamaño do último eo nivel a que a partícula está situada. A enerxía de conexión ten un papel importante na xeración dos raios X característicos e é necesaria para eliminar un electrón dun átomo.

bremsstrahlung

Bremsstrahlung produce o maior número de fotóns. Os electróns penetrar no material de ánodo que se estende preto e para o núcleo, e desvía desacelerado átomo de forza gravitacional. A súa enerxía perdida durante esta reunión aparece en forma de fotóns de raios-X.

gama de

Só algúns fotóns teñen unha enerxía preto a enerxía electrónica. A maioría deles é menor. Asúmese que existe un espazo ou área que rodea o núcleo, en que a forza de electróns experiencia "inhibición". Este campo pode ser dividida en zonas. Isto dá unha vista do núcleo da área de destino do átomo no centro. Electrónicos cubertos en calquera lugar do branco é desacelerado e xera un fotón de raios-X. Partículas que caen máis próximo ao centro, están máis expostos e, polo tanto, perder a maior parte da enerxía, producindo moi fotóns de alta enerxía. Electróns entrar na zona exterior tendo unha interacción feble e xerar fotóns de enerxía máis baixa. Aínda que a área teñen o mesmo ancho, que ten unha área diferente, dependendo da distancia dende o núcleo. Como o número de partículas incidente sobre a zona, depende da súa superficie total, é obvio que a zona externa capturar máis electróns e causar máis fotóns. espectro de raios X de enerxía pode ser previsto por este modelo.

E fotóns _Max espectro bremsstrahlung principal correspondente a E electróns _máx. Por baixo deste punto, coa diminución da enerxía dos fotóns aumenta o seu número.

Un número significativo de fotóns de baixa enerxía absorbida ou filtrada, a medida que tentan pasar a través da superficie do tubo de ánodo ou filtro de caixa. A filtración é xeralmente depende da composición e do grosor do material a través do cal o feixe pasa, e isto determina a forma final da curva do espectro de baixa enerxía.

influencia kV

A parte de alta enerxía do espectro determina os tubos de raios X de tensión de kV (quilovolts). Isto é porque determina a enerxía dos electróns que alcanzan o ánodo, e os fotóns non pode ter o potencial maior que este. Baixo calquera tubo de raios X de tensión en execución? A enerxía máxima de fotóns corresponde ao potencial máximo aplicado. Esta tensión pode variar durante a exposición debido á rede de corrente alterna. Neste caso, _Emax tensión de pico determinada por fotóns oscilación período KV _p.

Ademais canta de potencia, KV _p determina a cantidade de radiación xerada por un certo número de electróns que alcanzan o ánodo. Xa que a eficiencia total da radiación bremsstrahlung increméntase polo aumento de enerxía de electróns incidente, que está determinada _{p KV,} isto implica que o KV _p afecta a eficiencia do dispositivo.

Cambiando KV _p, xeralmente alteran o espectro. A área total baixo a curva de enerxía representa o número de fotóns. espectro non filtrada é un triángulo, ea cantidade de radiación en proporción ao cadrado kV. En presenza do filtro tamén aumenta KV aumento de penetración de fotóns, o que reduce a porcentaxe de radiación filtrada. Isto leva a un maior rendemento de radiación.

radiación característica

O tipo de interacción que xera a radiación característica comprende colisión de alta velocidade con electróns orbitais. Interacción só pode ocorrer cando unha parte e _da partícula ten maior que a enerxía de conexión dun átomo. Cando esta condición se responde, e hai unha colisión, o electrón é nocauteado. Polo tanto, a posición aberta, cuberto polo nivel de enerxía máis elevada de partículas. A medida que avanzamos o electrón dá enerxía emitida en forma de fotóns de raios-X. É chamada a radiación característica, xa que é é o elemento químico característica de fotóns desde o que o ánodo está feito. Por exemplo, cando un electrón é batido K tungsteno _conexión capa con E = 69,5 keV, a vaga é cuberta cun electrón dende a _{comunicación} G-nivel, con E = 10,2 keV. Característica fotón de raios X ten unha enerxía igual á diferenza entre os dous niveis, é 59,3 keV.

De feito, o material do ánodo leva a un número de enerxías de raios X característicos. Isto débese a que electróns en varios niveis de enerxía (K, L, etc.) pode ser batido bombardeando as partículas e as prazas poden ser cubertas con unha variedade de niveis de enerxía. Mentres que o prazas L-nivel xera fotóns e as súas enerxías son demasiado pequena para uso en imagiologia de diagnóstico. Cada enerxía característica é dada unha denominación que indica a orbital, na que unha vaga, cun índice que mostra unha fonte de electróns requirido. alfa (α) indica o índice de electróns de recheo desde L-nivel, e beta (β) indica o nivel de enchido de M ou N.

• Espectro de volframio. A radiación característica do metal produce un espectro lineal que consiste en varias enerxías discretas e freada xera distribución continua. O número de fotóns creadas por cada característica de enerxía, caracterizado polo feito da probabilidade de encher a praza de nivel K depende da orbital.
• molibdeno Spectrum. Ánodos desta metal utilizado para a Mamografía, producir dúas suficientemente intenso característico de enerxía de raios X: K-alfa de 17,9 keV eo K-beta en 19,5 keV. A variedade óptima de tubos de raios X, o que permite obter o mellor equilibrio entre o contraste ea dose de radiación para o tamaño medio de mama alcanzado a _ep = 20 keV. Con todo Bremsstrahlung producir máis enerxía. En equipos de mamografía para a eliminación de partes indesexadas do filtro de espectro de molibdeno usado. O filtro funciona no principio de «K-edge". El absorbe radiación en exceso de enerxía de conexión no átomo de molibdeno-K nivel de electróns.
• O espectro de ródio. O ródio posúe número atómico 45, e de molibdeno - 42. Por conseguinte, os raios X característicos dun ánodo de ródio terá unha enerxía un pouco maior que a de molibdeno e máis penetrante. El é usado para xerar imaxes mamas densas.

Ánodos con áreas de superficie dobre, molibdeno, ródio, permitir ao operador seleccionar unha distribución optimizada para seos de tamaño e densidade distinta.

O efecto sobre o espectro KV

valor KV afecta grandemente a radiación característica, ie. K. Non será producido menos KV electróns nivel K-enerxía. Cando KV supera este valor limiar, a cantidade de radiación é xeralmente proporcional á diferenza eo tubo KV limiar kV.

O espectro de enerxía de fotóns de feixe de raios X emitidos desde o dispositivo está determinada por varios factores. Como norma xeral, está constituída por bremsstrahlung ea interacción característica.

A composición relativa do espectro depende do material do ánodo, o KV eo filtro. Nun tubo cun ánodo de volframio, a radiación característica non se forma en KV <69,5 keV. En valores máis elevados de CV utilizados nos estudos de diagnóstico, a radiación característica aumenta a radiación total ata o 25%. En dispositivos de molibdeno, pode representar a maior parte da xeración total.

Eficiencia

Só unha pequena parte da enerxía que emiten os electróns convértese en radiación. A parte principal é absorbida e convertida en calor. A eficiencia da radiación defínese como a fracción da enerxía radiada total da enerxía eléctrica total subministrada ao ánodo. Os factores que determinan a eficiencia do tubo de raios X son a tensión aplicada KV eo número atómico Z. A razón aproximada é a seguinte:

• Eficiencia = KV x Z x 10 ^-6 .

A relación entre eficiencia e KV ten un efecto específico no uso práctico dos equipos de raios X. Debido á xeración de calor, os tubos teñen un certo límite na cantidade de enerxía eléctrica que poden disipar. Isto impón unha limitación á potencia do dispositivo. Co aumento de KV, con todo, a cantidade de radiación producida por unidade de calor aumenta significativamente.

A dependencia da eficacia da xeración de raios X na composición do ánodo é de só interese académico, xa que a maioría dos dispositivos utilizan tungsteno. As excepcións son molibdeno e rodio, usado na mamografía. A eficacia destes dispositivos é moito menor que a do tungsteno debido ao seu menor número atómico.

Eficacia

A eficacia do tubo de raios X defínese como a cantidade de irradiación en miliendentes entregados a un punto no centro da viga útil a unha distancia de 1 m do foco por cada 1 mA de electróns que pasan polo instrumento. O seu valor expresa a capacidade do dispositivo para converter a enerxía das partículas cargadas en radiación de raios X. Permite determinar a exposición do paciente e a imaxe. Do mesmo xeito que a eficiencia, a eficiencia do dispositivo depende dunha serie de factores, incluíndo KV, forma de onda de tensión, material de ánodo e grao de dano na superficie, filtro e tempo de uso do dispositivo.

Control de KV

A tensión KV controla efectivamente a radiación de saída do tubo de raios X. Como regra xeral, suponse que a saída é proporcional ao cadrado de KV. A duplicación de KV aumenta a exposición por 4 veces.

Forma de onda

A forma de onda describe a forma en que o KV varía co tempo durante a xeración de radiación debido á natureza cíclica da fonte de alimentación. Utilízanse varias formas de onda diferentes. O principio xeral é este: canto menor sexa a forma de KV, prodúcese a radiación de raios X máis eficiente. En equipos modernos utilízanse xeradores cun KV relativamente constante.

Tubos de raios X: fabricantes

Oxford Instruments fabrica varios dispositivos, incluídos os de vidro cunha potencia de ata 250 W, un potencial de 4-80 kV, un foco de ata 10 micras e unha gran variedade de materiais de ánodo, incluíndo Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian ofrece máis de 400 tipos diferentes de tubos de raios X médicos e industriais. Outros fabricantes coñecidos son Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong e outros.

En Rusia prodúcense tubos de raios X "Svetlana-Roentgen". Ademais dos dispositivos tradicionais con ánodo xiratorio e estacionario, a empresa fabrica dispositivos cun cátodo frío, controlado por un fluxo lixeiro. As vantaxes do dispositivo son:

• Traballa en modos continuos e pulsados;
• Falta de inercia;
• Regulación da intensidade actual do LED;
• Pureza do espectro;
• A posibilidade de obter radiografías de diferente intensidade.