Ako fungujú röntgenové trubice?

2024 Autor: Curtis Blomfield | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-15 09:46

Röntgenové lúče vznikajú premenou elektrónovej energie na fotóny, ktorá prebieha v röntgenovej trubici. Množstvo (expozíciu) a kvalitu (spektrum) žiarenia je možné upraviť zmenou prúdu, napätia a prevádzkovej doby zariadenia.

Princíp činnosti

Röntgenové trubice (fotka je uvedená v článku) sú konvertory energie. Odoberajú ho zo siete a premieňajú ho na iné formy – prenikajúce žiarenie a teplo, ktoré je nežiaducim vedľajším produktom. Dizajn röntgenovej trubice je taký, že maximalizuje produkciu fotónov a čo najrýchlejšie odvádza teplo.

Rúrka je relatívne jednoduché zariadenie, ktoré zvyčajne obsahuje dva základné prvky – katódu a anódu. Keď prúd preteká z katódy na anódu, elektróny strácajú energiu, čo vedie k tvorbe röntgenového žiarenia.

Anóda

Anóda je komponent, ktorý vyžarujevysokoenergetické fotóny. Ide o pomerne masívny kovový prvok, ktorý je pripojený na kladný pól elektrického obvodu. Vykonáva dve hlavné funkcie:

premieňa elektrónovú energiu na röntgenové lúče,
odvádza teplo.

Materiál anódy je vybraný na zlepšenie týchto funkcií.

V ideálnom prípade by väčšina elektrónov mala tvoriť vysokoenergetické fotóny, nie teplo. Časť ich celkovej energie, ktorá sa premení na röntgenové lúče (účinnosť), závisí od dvoch faktorov:

atómové číslo (Z) materiálu anódy,
energia elektrónov.

Väčšina röntgenových trubíc používa ako materiál anódy volfrám, ktorý má atómové číslo 74. Okrem toho, že má veľké Z, má tento kov aj niektoré ďalšie vlastnosti, vďaka ktorým je na tento účel vhodný. Volfrám je jedinečný svojou schopnosťou udržať si pevnosť pri zahrievaní, má vysoký bod topenia a nízku rýchlosť odparovania.

Po mnoho rokov sa anóda vyrábala z čistého volfrámu. V posledných rokoch sa začala používať zliatina tohto kovu s réniom, ale len na povrchu. Samotná anóda pod volfrámovo-réniovým povlakom je vyrobená z ľahkého materiálu, ktorý dobre akumuluje teplo. Dve takéto látky sú molybdén a grafit.

Röntgenové trubice používané na mamografiu sú vyrobené s anódou potiahnutou molybdénom. Tento materiál má stredné atómové číslo (Z=42), ktoré generuje charakteristické fotóny s vhodnými energiamina fotenie hrudníka. Niektoré mamografické prístroje majú aj druhú anódu vyrobenú z ródia (Z=45). To vám umožní zvýšiť energiu a dosiahnuť väčšiu penetráciu pre pevné prsia.

Použitie zliatiny rénium-volfrám zlepšuje dlhodobý radiačný výkon – časom sa účinnosť čistých volfrámových anódových zariadení znižuje v dôsledku tepelného poškodenia povrchu.

Väčšina anód má tvar skosených diskov a je pripevnená k hriadeľu elektromotora, ktorý ich otáča relatívne vysokou rýchlosťou pri vyžarovaní röntgenových lúčov. Účelom rotácie je odvádzať teplo.

Ústredné miesto

Na generovaní röntgenových lúčov nie je zapojená celá anóda. Vyskytuje sa na malej ploche jeho povrchu - ohniskové miesto. Rozmery tohto sú určené rozmermi elektrónového lúča prichádzajúceho z katódy. Vo väčšine zariadení má obdĺžnikový tvar a pohybuje sa medzi 0,1 – 2 mm.

Röntgenové trubice sú navrhnuté so špecifickou veľkosťou ohniska. Čím je menší, tým je obraz menej rozmazaný a ostrejší a čím je väčší, tým lepšie odvádza teplo.

Veľkosť ohniska je jedným z faktorov, ktoré treba zvážiť pri výbere röntgenových trubíc. Výrobcovia vyrábajú zariadenia s malými ohniskami vtedy, keď je potrebné dosiahnuť vysoké rozlíšenie a dostatočne nízke vyžarovanie. Vyžaduje sa to napríklad pri vyšetrovaní malých a tenkých častí tela, ako pri mamografii.

Röntgenové trubice sa vyrábajú hlavne s dvoma veľkosťami ohniskových bodov, veľkým a malým, ktoré si môže operátor vybrať podľa postupu zobrazovania.

Katóda

Hlavnou funkciou katódy je generovať elektróny a zbierať ich do lúča nasmerovaného na anódu. Spravidla pozostáva z malej drôtenej špirály (závitu) ponorenej do miskovitého prehĺbenia.

Elektróny prechádzajúce obvodom zvyčajne nemôžu opustiť vodič a dostať sa do voľného priestoru. Zvládnu to však, ak dostanú dostatok energie. V procese známom ako tepelná emisia sa teplo používa na vypudenie elektrónov z katódy. To je možné, keď tlak vo evakuovanej röntgenovej trubici dosiahne 10^-6–10^{-7 mmHg. čl. Vlákno sa pri prechode prúdu zahrieva rovnakým spôsobom ako vlákno žiarovky. Činnosť röntgenovej trubice je sprevádzaná zahrievaním katódy na teplotu žeravenia s vytesnením časti elektrónov z nej tepelnou energiou.}

Balloon

Anóda a katóda sa nachádzajú v hermeticky uzavretom obale. Balónik a jeho obsah sa často označuje ako vložka, ktorá má obmedzenú životnosť a je možné ju vymeniť. Röntgenové trubice majú väčšinou sklenené žiarovky, hoci na niektoré aplikácie sa používajú kovové a keramické žiarovky.

Hlavnou funkciou balóna je poskytnúť podporu a izoláciu pre anódu a katódu a udržiavať vákuum. Tlak vo evakuovanej röntgenovej trubicipri 15°C je 1,2 10-3 Pa. Prítomnosť plynov v balóne by umožnila elektrinu voľne prúdiť cez zariadenie, a to nielen vo forme elektrónového lúča.

Prípad

Konštrukcia röntgenovej trubice je taká, že okrem toho, že obklopuje a podopiera ďalšie komponenty, jej telo slúži ako štít a absorbuje žiarenie, s výnimkou užitočného lúča prechádzajúceho cez okno. Jeho relatívne veľký vonkajší povrch odvádza veľkú časť tepla vznikajúceho vo vnútri zariadenia. Priestor medzi telom a vložkou je vyplnený olejom na izoláciu a chladenie.

Reťazec

Elektrický obvod spája trubicu so zdrojom energie nazývaným generátor. Zdroj prijíma energiu zo siete a premieňa striedavý prúd na jednosmerný. Generátor vám tiež umožňuje upraviť niektoré parametre obvodu:

KV - napätie alebo elektrický potenciál;
MA je prúd, ktorý preteká trubicou;
S – trvanie alebo čas expozície v zlomkoch sekundy.

Obvod zabezpečuje pohyb elektrónov. Nabíjajú sa energiou, prechádzajú generátorom a odovzdávajú ju anóde. Pri pohybe nastávajú dve transformácie:

potenciálna elektrická energia sa premieňa na kinetickú energiu;
kinetický sa zase premieňa na röntgenové lúče a teplo.

Potenciálny

Keď elektróny vstúpia do žiarovky, majú potenciálnu elektrickú energiu, ktorej množstvo je určené napätím KV medzi anódou a katódou. Röntgenová trubica fungujepod napätím, aby sa vytvoril 1 KV, z ktorého každá častica musí mať 1 keV. Úpravou KV operátor dodá každému elektrónu určité množstvo energie.

Kinetika

Nízky tlak vo vákuovej röntgenovej trubici (pri 15 °C je 10^-6–10^{-7 mmHg.) umožňuje časticiam vyletieť z katódy na anódu pôsobením termionickej emisie a elektrickej sily. Táto sila ich urýchľuje, čo vedie k zvýšeniu rýchlosti a kinetickej energie a zníženiu potenciálu. Keď častica narazí na anódu, stratí sa jej potenciál a všetka jej energia sa premení na kinetickú energiu. 100-keV elektrón dosahuje rýchlosti presahujúce polovicu rýchlosti svetla. Pri dopade na povrch sa častice veľmi rýchlo spomalia a stratia svoju kinetickú energiu. Premení sa na röntgenové lúče alebo teplo.}

Elektróny prichádzajú do kontaktu s jednotlivými atómami materiálu anódy. Žiarenie vzniká, keď interagujú s orbitálmi (röntgenové fotóny) a s jadrom (bremsstrahlung).

Link Energy

Každý elektrón vo vnútri atómu má určitú väzbovú energiu, ktorá závisí od veľkosti atómu a od úrovne, na ktorej sa častica nachádza. Väzbová energia hrá dôležitú úlohu pri vytváraní charakteristických röntgenových lúčov a je potrebná na odstránenie elektrónu z atómu.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung produkuje najväčší počet fotónov. Elektróny prenikajúce do materiálu anódy a prechádzajúce blízko jadra sú vychýlené a spomalenésila príťažlivosti atómu. Ich energia stratená počas tohto stretnutia sa javí ako röntgenový fotón.

Spektrum

Len niekoľko fotónov má energiu blízku energii elektrónov. Väčšina z nich je nižšia. Predpokladajme, že okolo jadra existuje priestor alebo pole, v ktorom elektróny pôsobia "brzdnou" silou. Toto pole je možné rozdeliť na zóny. To dáva poľu jadra vzhľad terča s atómom v strede. Elektrón, ktorý zasiahne akýkoľvek bod cieľa, zažije spomalenie a generuje röntgenový fotón. Častice zasahujúce najbližšie k stredu sú najviac ovplyvnené, a preto strácajú najviac energie, pričom produkujú fotóny s najvyššou energiou. Elektróny vstupujúce do vonkajších zón zažívajú slabšie interakcie a vytvárajú nižšie energetické kvantá. Hoci majú zóny rovnakú šírku, majú rôznu plochu v závislosti od vzdialenosti od jadra. Keďže počet častíc dopadajúcich na danú zónu závisí od jej celkovej plochy, je zrejmé, že vonkajšie zóny zachytávajú viac elektrónov a vytvárajú viac fotónov. Tento model možno použiť na predpovedanie energetického spektra röntgenových lúčov.

E_max fotónov hlavného brzdného žiarenia zodpovedá E_{max elektróny. Pod týmto bodom, keď energia fotónov klesá, ich počet sa zvyšuje.}

Značný počet fotónov s nízkou energiou je absorbovaný alebo filtrovaný, keď sa pokúšajú prejsť cez povrch anódy, okienko trubice alebo filter. Filtrácia vo všeobecnosti závisí od zloženia a hrúbky materiálu, ktorým prechádzalúč prechádza, čo určuje konečnú podobu nízkoenergetickej krivky spektra.

KV vplyv

Vysokoenergetická časť spektra je určená napätím v röntgenových trubiciach kV (kilovolt). Je to preto, že určuje energiu elektrónov dosahujúcich anódu a fotóny nemôžu mať vyšší potenciál. S akým napätím röntgenová trubica pracuje? Maximálna energia fotónu zodpovedá maximálnemu použitému potenciálu. Toto napätie sa môže počas expozície zmeniť v dôsledku AC sieťového prúdu. V tomto prípade je E_max fotónu určené špičkovým napätím periódy oscilácie KV_p.

Okrem kvantového potenciálu, KV_p určuje množstvo žiarenia vytvoreného daným počtom elektrónov dopadajúcich na anódu. Keďže celková účinnosť brzdného žiarenia stúpa v dôsledku zvýšenia energie bombardujúcich elektrónov, ktorá je určená KV_p, z toho vyplýva, že KV_{povplyvňuje účinnosť zariadenia.}

Zmena KV_{p zvyčajne zmení spektrum. Celková plocha pod energetickou krivkou je počet fotónov. Bez filtra je spektrum trojuholníka a množstvo žiarenia je úmerné druhej mocnine KV. V prítomnosti filtra zvýšenie KV zvyšuje aj prienik fotónov, čím sa znižuje percento filtrovaného žiarenia. To vedie k zvýšeniu výkonu žiarenia.}

Charakteristické žiarenie

Typ interakcie, ktorý vytvára charakteristikužiarenia, zahŕňa zrážku vysokorýchlostných elektrónov s orbitálnymi. K interakcii môže dôjsť iba vtedy, keď má prichádzajúca častica E_k väčšiu ako väzbová energia v atóme. Keď je táto podmienka splnená a dôjde ku kolízii, elektrón sa vymrští. V tomto prípade zostáva voľné miesto, ktoré je vyplnené časticou vyššej energetickej hladiny. Keď sa elektrón pohybuje, vydáva energiu, ktorá je emitovaná vo forme röntgenového kvanta. Toto sa nazýva charakteristické žiarenie, pretože E fotónu je charakteristikou chemického prvku, z ktorého je vyrobená anóda. Napríklad, keď je vyradený elektrón z hladiny K volfrámu s E_bond=69,5 keV, voľné miesto vyplní elektrón z hladiny L s E _{väzba=10, 2 keV. Charakteristický röntgenový fotón má energiu rovnajúcu sa rozdielu medzi týmito dvoma úrovňami alebo 59,3 keV.}

V skutočnosti tento materiál anódy vedie k množstvu charakteristických röntgenových energií. Je to preto, že elektróny na rôznych energetických úrovniach (K, L atď.) môžu byť vyradené bombardovaním častíc a voľné miesta môžu byť zaplnené z rôznych energetických úrovní. Hoci zaplnenie voľných miest na úrovni L generuje fotóny, ich energie sú príliš nízke na to, aby sa dali použiť v diagnostickom zobrazovaní. Každá charakteristická energia má označenie, ktoré označuje orbitál, v ktorom sa vakancia vytvorila, s indexom, ktorý označuje zdroj plnenia elektrónov. Index alfa (α) označuje obsadenie elektrónu z úrovne L a beta (β) označujeplnenie od úrovne M alebo N.

Spektrum volfrámu. Charakteristické žiarenie tohto kovu vytvára lineárne spektrum pozostávajúce z niekoľkých diskrétnych energií, zatiaľ čo brzdné žiarenie vytvára spojitú distribúciu. Počet fotónov produkovaných každou charakteristickou energiou sa líši v tom, že pravdepodobnosť zaplnenia prázdneho miesta na úrovni K závisí od orbitálu.

Spektrum molybdénu. Anódy tohto kovu používané na mamografiu produkujú dve pomerne intenzívne charakteristické rôntgenové energie: K-alfa pri 17,9 keV a K-beta pri 19,5 keV. Optimálne spektrum röntgenových trubíc, ktoré umožňuje dosiahnuť najlepšiu rovnováhu medzi kontrastom a dávkou žiarenia pre stredne veľké prsia, sa dosahuje pri E_{ph=20 keV. Brzdné žiarenie sa však vyrába pri vysokých energiách. Mamografické zariadenie používa molybdénový filter na odstránenie nežiaducej časti spektra. Filter funguje na princípe "K-edge". Absorbuje žiarenie presahujúce väzbovú energiu elektrónov na úrovni K atómu molybdénu.}
Spektrum ródia. Ródium má atómové číslo 45, zatiaľ čo molybdén má atómové číslo 42. Preto charakteristická röntgenová emisia ródiovej anódy bude mať o niečo vyššiu energiu ako molybdén a je prenikavejšia. Používa sa na zobrazenie hustých prsníkov.

Molybdénovo-ródiové anódy s dvojitým povrchom umožňujú operátorovi vybrať si rozloženie optimalizované pre rôzne veľkosti a hustoty pŕs.

Vplyv KV na spektrum

Hodnota KV výrazne ovplyvňuje charakteristické žiarenie, pretože nebude produkované, ak je KV menšie ako energia elektrónov na úrovni K. Keď KV prekročí túto hranicu, množstvo žiarenia je vo všeobecnosti úmerné rozdielu medzi KV trubice a prahovou hodnotou KV.

Energetické spektrum röntgenových fotónov vychádzajúcich z prístroja je určené niekoľkými faktormi. Spravidla pozostáva z brzdného žiarenia a charakteristických interakčných kvánt.

Relatívne zloženie spektra závisí od materiálu anódy, KV a filtra. V trubici s volfrámovou anódou nevzniká pri KV< 69,5 keV žiadne charakteristické žiarenie. Pri vyšších hodnotách CV používaných v diagnostických štúdiách zvyšuje charakteristické žiarenie celkové žiarenie až o 25 %. V molybdénových zariadeniach môže tvoriť veľkú časť celkovej generácie.

Efektívnosť

Len malá časť energie dodanej elektrónmi sa premení na žiarenie. Hlavná časť je absorbovaná a premenená na teplo. Účinnosť žiarenia je definovaná ako podiel celkovej vyžiarenej energie z celkovej elektrickej energie odovzdanej anóde. Faktory, ktoré určujú účinnosť röntgenovej trubice, sú použité napätie KV a atómové číslo Z. Príklad vzťahu je nasledujúci:

Účinnosť=KV x Z x 10-6.

Vzťah medzi účinnosťou a KV má špecifický vplyv na praktické využitie röntgenových zariadení. V dôsledku uvoľňovania tepla majú rúrky určitý limit na množstvo elenergiu, ktorú dokážu rozptýliť. To obmedzuje výkon zariadenia. So zvyšujúcim sa KV sa však množstvo žiarenia produkovaného na jednotku tepla výrazne zvyšuje.

Závislosť účinnosti generovania röntgenových lúčov od zloženia anódy má len akademický záujem, keďže väčšina zariadení používa volfrám. Výnimkou je molybdén a ródium používané v mamografii. Účinnosť týchto zariadení je oveľa nižšia ako volfrám kvôli ich nižšiemu atómovému číslu.

Efektívnosť

Účinnosť röntgenovej trubice je definovaná ako množstvo expozície v miliroentgénoch dodané do bodu v strede užitočného lúča vo vzdialenosti 1 m od ohniska na každý 1 mAs elektróny prechádzajúce zariadením. Jeho hodnota vyjadruje schopnosť prístroja premieňať energiu nabitých častíc na röntgenové žiarenie. Umožňuje určiť expozíciu pacienta a snímky. Rovnako ako účinnosť, účinnosť zariadenia závisí od mnohých faktorov vrátane KV, tvaru vlny, materiálu anódy a poškodenia povrchu, filtra a času používania.

ovládanie KV

KV efektívne riadi výstup röntgenovej trubice. Všeobecne sa predpokladá, že výstup je úmerný druhej mocnine KV. Zdvojnásobenie KV zvyšuje expozíciu 4x.

Waveform

Tvar vlny popisuje spôsob, akým sa KV mení v priebehu času počas generovaniažiarenia v dôsledku cyklického charakteru napájacieho zdroja. Používa sa niekoľko rôznych tvarov vĺn. Všeobecnou zásadou je, že čím menej sa mení tvar KV, tým efektívnejšie sa vytvárajú röntgenové lúče. Moderné vybavenie používa generátory s relatívne konštantným KV.

Röntgenové trubice: výrobcovia

Oxford Instruments vyrába rôzne zariadenia, vrátane sklenených zariadení do 250 W, potenciálu 4-80 kV, ohniska do 10 mikrónov a širokej škály anódových materiálov vrátane Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian ponúka viac ako 400 rôznych typov lekárskych a priemyselných röntgenových trubíc. Ďalšími známymi výrobcami sú Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong atď.

Röntgenové trubice „Svetlana-Rentgen“sa vyrábajú v Rusku. Okrem tradičných zariadení s rotačnou a stacionárnou anódou spoločnosť vyrába zariadenia so studenou katódou riadenou svetelným tokom. Výhody zariadenia sú nasledovné: