A röntgensugarak úgy jönnek létre, hogy az elektronok energiáját fotonokká alakítják, ami egy röntgencsőben megy végbe. A sugárzás mértéke (expozíciója) és minősége (spektruma) a készülék áramának, feszültségének és működési idejének változtatásával állítható be.
Működési elv
Röntgencsövek (a fotó a cikkben található) energiaátalakítók. Kiveszik a hálózatból és más formákká alakítják át - áthatoló sugárzás és hő, ez utóbbi nemkívánatos melléktermék. A röntgencső kialakítása olyan, hogy maximalizálja a fotontermelést és a lehető leggyorsabban elvezeti a hőt.
A cső egy viszonylag egyszerű eszköz, amely általában két alapvető elemet tartalmaz – egy katódot és egy anódot. Amikor áram folyik a katódról az anódra, az elektronok energiát veszítenek, ami röntgensugarak keletkezését eredményezi.
Anód
Az anód az a komponens, amely kibocsátnagy energiájú fotonok. Ez egy viszonylag masszív fémelem, amely az elektromos áramkör pozitív pólusához csatlakozik. Két fő funkciót lát el:
- az elektronenergiát röntgensugarakká alakítja,
- eloszlatja a hőt.
Az anód anyaga úgy lett megválasztva, hogy fokozza ezeket a funkciókat.
Ideális esetben az elektronok többségének nagy energiájú fotonokat kell alkotnia, nem hőt. A teljes energiájuknak a röntgensugarakká alakított része (hatékonyság) két tényezőtől függ:
- az anód anyagának atomi száma (Z),
- elektronok energiája.
A legtöbb röntgencső volfrámot használ anódanyagként, amelynek rendszáma 74. A nagy Z-n kívül ennek a fémnek van néhány egyéb tulajdonsága is, amelyek alkalmassá teszik erre a célra. A wolfram egyedülálló abban a képességében, hogy hevítés közben megőrzi szilárdságát, magas olvadáspontja és alacsony párolgási sebessége van.
Az anód sok éven át tiszta volfrámból készült. Az utóbbi években ennek a fémnek a réniummal alkotott ötvözetét kezdték használni, de csak a felületen. Maga a volfrám-rénium bevonat alatti anód könnyű anyagból készült, amely jól tárolja a hőt. Két ilyen anyag a molibdén és a grafit.
A mammográfiához használt röntgencsövek molibdénnel bevont anóddal készülnek. Ennek az anyagnak egy köztes rendszáma van (Z=42), amely jellegzetes fotonokat generál, amelyek energiája kényelmes.a mellkasról készült képek készítéséhez. Egyes mammográfiai eszközöknek van egy második ródium anódja is (Z=45). Ez lehetővé teszi az energia növelését és a feszes mellek nagyobb behatolását.
A rénium-volfrám ötvözet használata javítja a hosszú távú sugárzási teljesítményt – idővel a tiszta volfrámanódos eszközök hatékonysága csökken a felület hőkárosodása miatt.
A legtöbb anód ferde lemez alakú, és egy villanymotor tengelyéhez csatlakozik, amely viszonylag nagy sebességgel forgatja őket, miközben röntgensugárzást bocsát ki. A forgatás célja a hő eltávolítása.
Fókuszpont
Nem a teljes anód vesz részt a röntgensugárzás előállításában. Felületének kis területén - fókuszponton - fordul elő. Ez utóbbi méreteit a katódról érkező elektronsugár méretei határozzák meg. A legtöbb eszközben téglalap alakú, és 0,1-2 mm között változik.
A röntgencsöveket meghatározott fókuszpont-mérettel tervezték. Minél kisebb, annál kevésbé homályos és élesebb a kép, és minél nagyobb, annál jobb a hőelvezetés.
A fókuszpont mérete az egyik szempont, amelyet figyelembe kell venni a röntgencsövek kiválasztásakor. A gyártók kis fókuszpontokkal rendelkező eszközöket gyártanak, amikor nagy felbontás és kellően alacsony sugárzás elérése szükséges. Erre például a kis és vékony testrészek vizsgálatakor van szükség, mint a mammográfiánál.
A röntgencsöveket főként két fókuszpont-mérettel gyártják, a nagyot és a kicsiket, amelyeket a kezelő a képalkotó eljárásnak megfelelően választhat ki.
Katód
A katód fő funkciója az elektronok generálása és az anód felé irányított nyalábba gyűjtése. Általában egy csésze alakú mélyedésbe merített kis drótspirálból (szálból) áll.
Az áramkörön áthaladó elektronok általában nem hagyhatják el a vezetőt és nem juthatnak szabad térbe. Megtehetik azonban, ha elegendő energiához jutnak. A termikus emissziónak nevezett folyamatban hőt használnak fel az elektronok kiszorítására a katódból. Ez akkor válik lehetségessé, ha az evakuált röntgencsőben a nyomás eléri a 10-6–10-7 Hgmm értéket. Művészet. Az izzószál ugyanúgy felmelegszik, mint egy izzólámpa izzószála, amikor áram folyik át rajta. A röntgencső működését a katód izzási hőmérsékletre melegítése kíséri, miközben az elektronok egy része hőenergia hatására kiszorul belőle.
Léggömb
Az anód és a katód hermetikusan lezárt tartályban található. A ballont és annak tartalmát gyakran betétnek nevezik, amelynek élettartama korlátozott és cserélhető. A röntgencsövek többnyire üvegburákkal rendelkeznek, bár egyes alkalmazásokhoz fém- és kerámia izzót is használnak.
A ballon fő funkciója az anód és a katód alátámasztása és szigetelése, valamint a vákuum fenntartása. Nyomás a kiürített röntgencsőben15°C-on 1,2 10-3 Pa. A gázok jelenléte a ballonban lehetővé tenné az elektromosság szabad áramlását az eszközön, és nem csak elektronsugár formájában.
Tok
A röntgencső kialakítása olyan, hogy amellett, hogy befog és alátámaszt más alkatrészeket, a teste pajzsként szolgál és elnyeli a sugárzást, kivéve az ablakon áthaladó hasznos sugarat. Viszonylag nagy külső felülete a készülék belsejében keletkező hő nagy részét elvezeti. A test és a betét közötti tér a szigetelés és a hűtés érdekében olajjal van feltöltve.
Lánc
Egy elektromos áramkör köti össze a csövet a generátornak nevezett energiaforrással. A forrás áramot kap a hálózatról, és a váltakozó áramot egyenárammá alakítja. A generátor néhány áramköri paraméter beállítását is lehetővé teszi:
- KV - feszültség vagy elektromos potenciál;
- MA a csövön átfolyó áram;
- S – időtartam vagy expozíciós idő, a másodperc töredékeiben.
Az áramkör biztosítja az elektronok mozgását. Feltöltődnek energiával, áthaladva a generátoron, és átadják az anódnak. Ahogy mozognak, két átalakulás történik:
- a potenciális elektromos energia mozgási energiává alakul át;
- A kinetikus viszont röntgensugarakká és hővé alakul.
Lehetőség
Amikor az elektronok belépnek az izzóba, potenciális elektromos energiájuk van, amelynek mértékét az anód és a katód közötti KV feszültség határozza meg. A röntgencső működikfeszültség alatt, 1 KV létrehozásához, amelyből minden részecskének 1 keV-nak kell lennie. A KV beállításával a kezelő minden elektront bizonyos mennyiségű energiával ruház fel.
Kinetika
Alacsony nyomás a kiürített röntgencsőben (15°C-on 10-6–10-7 Hgmm.) lehetővé teszi, hogy a részecskék a katódról az anódra repüljenek a termikus emisszió és az elektromos erő hatására. Ez az erő felgyorsítja őket, ami a sebesség és a mozgási energia növekedéséhez, valamint a potenciál csökkenéséhez vezet. Amikor egy részecske az anódhoz ütközik, potenciálja elvész, és teljes energiája mozgási energiává alakul. Egy 100 keV-os elektron a fénysebesség felét meghaladó sebességet ér el. A felületet érve a részecskék nagyon gyorsan lelassulnak, és elvesztik mozgási energiájukat. Röntgensugárzássá vagy hővé alakul.
Az elektronok érintkezésbe kerülnek az anód anyagának egyes atomjaival. Sugárzás akkor keletkezik, amikor kölcsönhatásba lépnek a pályákkal (röntgenfotonok) és az atommaggal (bremsstrahlung).
Link Energy
Az atomon belül minden elektronnak van egy bizonyos kötési energiája, amely az utóbbi méretétől és a részecske elhelyezkedésétől függ. A kötési energia fontos szerepet játszik a jellegzetes röntgensugarak létrehozásában, és szükséges az elektron eltávolításához az atomról.
Bremsstrahlung
A Bremsstrahlung termeli a legtöbb fotont. Az anód anyagán áthatoló és az atommag közelében elhaladó elektronok eltérnek és lelassulnakaz atom vonzóereje. A találkozás során elvesztett energiájuk röntgenfotonként jelenik meg.
Spectrum
Csak néhány foton energiája közelít az elektronokéhoz. A legtöbbjük alacsonyabb. Tegyük fel, hogy az atommagot körülvevő tér vagy mező van, amelyben az elektronok „fékező” erőt fejtenek ki. Ez a mező zónákra osztható. Ez azt eredményezi, hogy az atommag mezője olyan célpontnak tűnik, amelynek közepén egy atom van. A célpont bármely pontját elérő elektron lassulást tapasztal, és röntgenfotont generál. A középponthoz legközelebb eső részecskék a leginkább érintettek, ezért a legtöbb energiát veszítik, és a legnagyobb energiájú fotonokat termelik. A külső zónákba belépő elektronok gyengébb kölcsönhatást tapasztalnak, és alacsonyabb energiakvantumokat generálnak. Bár a zónák azonos szélességűek, a magtól való távolságtól függően eltérő területtel rendelkeznek. Mivel az adott zónára eső részecskék száma a teljes területétől függ, nyilvánvaló, hogy a külső zónák több elektront fognak be és több fotont hoznak létre. Ez a modell használható a röntgensugarak energiaspektrumának előrejelzésére.
Emax a fő fékezési spektrum fotonja megfelel az Emax elektronoknak. Ez alatt a pont alatt, ahogy a fotonok energiája csökken, számuk nő.
Az alacsony energiájú fotonok jelentős része elnyelődik vagy kiszűrődik, amikor megpróbálnak áthaladni az anód felületén, a csőablakon vagy a szűrőn. A szűrés általában az anyag összetételétől és vastagságától függ, amelyen keresztüla nyaláb áthalad, ami meghatározza a spektrum kisenergiájú görbéjének végső formáját.
KV befolyása
A spektrum nagyenergiájú részét a röntgencsövekben lévő kV (kilovolt) feszültség határozza meg. Ez ugyanis meghatározza az anódot elérő elektronok energiáját, és a fotonoknak ennél nagyobb potenciálja nem lehet. Milyen feszültséggel működik a röntgencső? A maximális fotonenergia megfelel a maximálisan alkalmazott potenciálnak. Ez a feszültség az AC hálózati áram hatására változhat az expozíció során. Ebben az esetben egy foton Emax értékét a KVp. rezgési periódus csúcsfeszültsége határozza meg.
A kvantumpotenciál mellett a KVp határozza meg az anódot érő adott számú elektron által keltett sugárzás mennyiségét. Mivel a bremsstrahlung általános hatásfoka növekszik a bombázó elektronok energiájának növekedése miatt, amelyet a KVp határoz meg, ebből következik, hogy KVpbefolyásolja az eszköz hatékonyságát.
A KVp megváltoztatása általában megváltoztatja a spektrumot. Az energiagörbe alatti teljes terület a fotonok száma. Szűrő nélkül a spektrum egy háromszög, és a sugárzás mennyisége arányos a KV négyzetével. Szűrő jelenlétében a KV növekedése növeli a fotonok penetrációját is, ami csökkenti a szűrt sugárzás százalékos arányát. Ez a sugárzási teljesítmény növekedéséhez vezet.
Jellemző sugárzás
A karakterisztikát létrehozó interakció típusasugárzás, magában foglalja a nagy sebességű elektronok ütközését orbitális elektronokkal. Kölcsönhatás csak akkor jöhet létre, ha a bejövő részecske Ek nagyobb, mint az atom kötési energiája. Ha ez a feltétel teljesül, és ütközés következik be, az elektron kilökődik. Ebben az esetben egy üresedés marad, amelyet egy magasabb energiaszintű részecske tölt be. Az elektron mozgása során energiát ad le, amely röntgenkvantum formájában bocsát ki. Ezt karakterisztikus sugárzásnak nevezzük, mivel a foton E-je annak a kémiai elemnek a jellemzője, amelyből az anód készül. Például, amikor a volfrám K-szintjéről kiütnek egy elektront, amelynek Ebond=69,5 keV, a megüresedett helyet egy L-szintű E elektron tölti ki. kötés=10, 2 keV. A jellegzetes röntgenfoton energiája megegyezik a két szint közötti különbséggel, vagyis 59,3 keV.
Valójában ez az anódanyag számos jellegzetes röntgenenergiát eredményez. A különböző energiaszintű (K, L stb.) elektronok ugyanis kiüthetők bombázó részecskék hatására, és a megüresedett helyek különböző energiaszintekről tölthetők be. Bár az L-szintű megüresedett állások betöltése fotonokat generál, ezek energiája túl alacsony ahhoz, hogy a diagnosztikai képalkotásban felhasználható legyen. Minden karakterisztikus energia egy jelölést kap, amely azt a pályát jelöli, amelyen az üresedés kialakult, és egy indexet, amely az elektrontöltés forrását jelzi. Az alfa (α) index egy elektron elfoglalását jelzi az L-szintről, a béta (β) pedigkitöltés M vagy N szintről.
- A volfrám spektruma. Ennek a fémnek a karakterisztikus sugárzása több különálló energiából álló lineáris spektrumot hoz létre, míg a bremsstrahlung folyamatos eloszlást hoz létre. Az egyes karakterisztikus energiák által termelt fotonok száma annyiban különbözik, hogy a K-szintű üresedés betöltési valószínűsége a pályától függ.
- Molibdén spektruma. Ennek a fémnek a mammográfiához használt anódjai két meglehetősen intenzív jellegzetes röntgenenergiát produkálnak: a K-alfát 17,9 keV-on és a K-béta-t 19,5 keV-on. A röntgencsövek optimális spektruma, amely lehetővé teszi a legjobb egyensúly elérését a kontraszt és a sugárdózis között közepes méretű melleknél, Eph=20 keV-on érhető el. A bremsstrahlung azonban nagy energiákkal készül. A mammográfiai berendezés molibdénszűrőt használ a spektrum nem kívánt részének eltávolítására. A szűrő a "K-él" elven működik. A molibdénatom K-szintjén az elektronok kötési energiáját meghaladó sugárzást nyel el.
- Ródium spektruma. A ródium rendszáma 45, míg a molibdéné 42. Ezért a ródiumanód jellegzetes röntgensugárzásának energiája valamivel nagyobb, mint a molibdéné, és jobban áthatol. Ez a sűrű mellek képalkotására szolgál.
A kettős felületű molibdén-ródium anódok lehetővé teszik a kezelő számára a különböző mellméretekhez és -sűrűségekhez optimalizált eloszlás kiválasztását.
A KV hatása a spektrumra
A KV értéke nagyban befolyásolja a karakterisztikus sugárzást, mivel nem keletkezik, ha KV kisebb, mint a K-szintű elektronok energiája. Ha a KV meghaladja ezt a küszöbértéket, a sugárzás mennyisége általában arányos a KV cső és a KV küszöb közötti különbséggel.
A műszerből kilépő röntgenfotonok energiaspektrumát több tényező határozza meg. Általános szabály, hogy bremsstrahlungból és jellegzetes interakciókvantumokból áll.
A spektrum relatív összetétele az anód anyagától, a KV-tól és a szűrőtől függ. Volfrámanóddal ellátott csőben KV< 69,5 keV-on nem keletkezik jellegzetes sugárzás. A diagnosztikai vizsgálatokban használt magasabb CV értékeknél a karakterisztikus sugárzás akár 25%-kal növeli a teljes sugárzást. A molibdén eszközökben a teljes generáció nagy részét ki tudja tenni.
Hatékonyság
Az elektronok által leadott energiának csak egy kis része alakul sugárzássá. A fő rész felszívódik és hővé alakul. A sugárzási hatásfok a teljes kisugárzott energia aránya az anódnak adott teljes elektromos energiából. A röntgencső hatásfokát a KV feszültség és a Z rendszám határozza meg. Egy példa összefüggés a következő:
Hatékonyság=KV x Z x 10-6.
A hatékonyság és a KV közötti kapcsolat sajátos hatással van a röntgenberendezések gyakorlati használatára. A hő felszabadulása miatt a csöveknek van egy bizonyos határa az elektromosság mennyiségéreaz energiát, amit el tudnak oszlatni. Ez korlátozza a készülék teljesítményét. A KV növekedésével azonban az egységnyi hőre jutó sugárzás mennyisége jelentősen megnő.
A röntgensugárzás hatékonyságának az anód összetételétől való függése csak tudományos szempontból érdekes, mivel a legtöbb eszköz wolframot használ. Kivételt képez a mammográfiában használt molibdén és ródium. Ezeknek az eszközöknek a hatásfoka az alacsonyabb rendszámuk miatt jóval alacsonyabb, mint a volfrámé.
Hatékonyság
A röntgencső hatásfokát az expozíció mértéke határozza meg millirentgenben, amelyet a hasznos nyaláb közepén lévő, a fókuszponttól 1 m távolságra lévő pontra juttatnak el minden 1 mAs-onként. az eszközön áthaladó elektronok. Értéke az eszköz azon képességét fejezi ki, hogy a töltött részecskék energiáját röntgensugarakká alakítja át. Lehetővé teszi a páciens és a kép expozíciójának meghatározását. A hatékonysághoz hasonlóan az eszköz hatékonysága is számos tényezőtől függ, beleértve a KV-t, a feszültség hullámformáját, az anód anyagát és a felület sérülését, a szűrőt és a használati időt.
KV-vezérlés
A KV hatékonyan szabályozza a röntgencső kimenetét. Általában feltételezik, hogy a kimenet arányos a KV négyzetével. A KV megduplázása négyszeresére növeli az expozíciót.
Hullámforma
A Hullámforma leírja, hogy a KV hogyan változik az idő múlásával a generálás soránsugárzás a tápegység ciklikus jellege miatt. Számos különböző hullámforma használatos. Az általános elv az, hogy minél kevésbé változik a KV alakja, annál hatékonyabban állítják elő a röntgensugarakat. A modern berendezések viszonylag állandó KV-vel rendelkező generátorokat használnak.
Röntgencsövek: gyártók
Az Oxford Instruments különféle eszközöket gyárt, beleértve az üvegeszközöket 250 W-ig, 4-80 kV potenciálig, 10 mikronig terjedő fókuszpontot és anódanyagok széles skáláját, beleértve az Ag-t, Au-t, Co-t, Cr-t, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
A Varian több mint 400 különböző típusú orvosi és ipari röntgencsövet kínál. További jól ismert gyártók a Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong stb.
A "Svetlana-Rentgen" röntgencsöveket Oroszországban gyártják. A hagyományos, forgó és álló anódos készülékek mellett a cég hidegkatódos, fényárammal vezérelt készülékeket is gyárt. Az eszköz előnyei a következők:
- munka folyamatos és impulzus üzemmódban;
- tehetetlenség;
- LED áramerősség-szabályozás;
- spektrumtisztaság;
- változó intenzitású röntgenfelvételek készítésének lehetősége.
