Come i tubi a raggi X lavorare?

I raggi X sono generati convertendo l'energia degli elettroni di fotoni, che si verifica nel tubo a raggi X. Quantità (esposizione) e radiazioni qualità (spettro) può essere regolata cambiando la corrente, tensione e tempo dello strumento.

principio di funzionamento

tubi a raggi X (foto fornita nell'articolo) sono convertitori di energia. Essi ricevono dalla rete e convertiti in altre forme – radiazione penetrante e calore, quest'ultimo è un sottoprodotto indesiderato. Raggi X dispositivo tubo in modo da massimizzare la produzione di fotoni e dissipa il calore più rapidamente possibile.

Il tubo è un dispositivo relativamente semplice, tipicamente comprendente due elementi fondamentali – un catodo e un anodo. Quando la corrente fluisce dal catodo verso l'anodo, gli elettroni perdono energia, che porta alla generazione di raggi-X.

anodo

L'anodo è un componente, in cui l'emissione di fotoni ad alta energia prodotta. Questo è un elemento metallico relativamente voluminoso che è collegato al polo positivo del circuito elettrico. Ha due funzioni principali:

• Si converte l'energia degli elettroni in radiazione a raggi X,
• Si dissipa il calore.

Il materiale per l'anodo è selezionato per migliorare queste funzioni.

Idealmente, la maggior parte degli elettroni dovrebbero formare un fotoni ad alta energia, piuttosto che di calore. Rapporto tra l'energia totale, che viene convertita in radiazione X (COP) dipende da due fattori:

• numero atomico (Z) del materiale anodico,
• l'energia degli elettroni.

Nella maggior parte dei tubi a raggi X come un materiale dell'anodo utilizzato tungsteno, il cui numero atomico è uguale a 74. Oltre al grande Z, questo metallo ha certe altre caratteristiche che lo rendono adatto a questo scopo. Tungsteno è unica nella sua capacità di mantenere la forza quando riscaldato, ha un punto di fusione elevato e un tasso di evaporazione basso.

Per molti anni, l'anodo è fatto di tungsteno puro. Negli ultimi anni, abbiamo iniziato a utilizzare questa lega metallica con renio, ma solo in superficie. Sé anodo sotto il rivestimento tungsteno-renio in materiale leggero, buon calore-immagazzinaggio. Due di queste sostanze sono molibdeno e grafite.

Il tubo a raggi X utilizzati per la mammografia, è fatta con l'anodo, rivestito con molibdeno. Questo materiale ha un numero atomico intermedio (Z = 42), che genera fotoni con energia caratteristica, adatto per la registrazione di cassa. Alcuni dispositivi mammografiche hanno anche un secondo anodo, costituito da rodio (Z = 45). In questo modo è possibile aumentare l'energia e raggiungere una maggiore penetrazione per seni densi.

L'uso di lega di tungsteno-renio migliora l'uscita radiazione a lungo termine – con dispositivi efficienti tempo con anodo in tungsteno puro è ridotta a causa di danno termico alla superficie.

La maggior parte dell'anodo ha la forma di dischi conici e solidale all'albero motore, che li ruota a velocità relativamente elevate al momento dell'emissione di raggi-X. Lo scopo della rotazione – la rimozione del calore.

punto focale

La generazione parte di raggi X non l'intero anodo. Essa si verifica in una piccola area della sua superficie – il punto focale. Dimensioni ultima determinata dimensione del fascio di elettroni proveniente dal catodo. Nella maggior parte di esso è di forma rettangolare varia nei dispositivi 0,1-2 mm.

Il disegno del tubo a raggi X con una certa dimensione del punto focale. Più piccolo è il meno sfocatura movimento e maggiore nitidezza, e per di più, la migliore dissipazione del calore.

dimensione del punto focale è un fattore che deve essere considerato al momento di scegliere il tubo a raggi X. Produttori di produrre dispositivi con piccola macchia focale, in cui è necessario per il raggiungimento alta risoluzione e la radiazione abbastanza piccolo. Ad esempio, è richiesto nello studio delle piccole e delicate parti del corpo come in mammografia.

Il tubo a raggi X producono principalmente punti focali con due dimensioni – grandi e piccole, che possono essere selezionati dall'operatore secondo la procedura di formazione dell'immagine.

catodico

La funzione principale del catodo – generare elettroni e raccoglierli in un fascio diretto verso l'anodo. Esso è generalmente costituito da un filo a spirale (filamento) annegato in una cavità a forma di coppa.

Gli elettroni che passano attraverso il circuito normalmente non possono lasciare il conduttore e lasciare uno spazio libero. Tuttavia, possono farlo, se ottengono abbastanza energia. In un processo noto come emissione termica, il calore utilizzato per espellere gli elettroni dal catodo. Ciò diventa possibile quando la pressione in un tubo a raggi X evacuato raggiunge 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. Art. Il filato viene riscaldata nello stesso modo di una lampada a incandescenza spirale facendo passare una corrente attraverso di esso. Lavoro tubo catodico è accompagnata da riscaldamento ad una temperatura luminescenza spostamento energia termica degli elettroni.

palloncino

L'anodo e il catodo sono contenuti in una scatola stagna – cilindro. Il pallone e il suo contenuto sono spesso indicati come inserto, che ha una durata limitata e possono essere sostituiti. Il tubo a raggi X hanno generalmente un bulbo di vetro, pur metallo e ceramica cilindri utilizzati per alcune applicazioni.

La funzione principale è quella di supportare il contenitore e l'isolamento del l'anodo e il catodo, e il vuoto mantenimento. La pressione nel tubo radiogeno evacuato a 15 ° C è di 1,2 × 10 ^-3 Pa. La presenza di gas nel serbatoio consentirebbe elettrica di fluire attraverso il dispositivo liberamente, non solo sotto forma di un fascio di elettroni.

alloggiamento

Apparecchiatura tubo a raggi X tale che, in aggiunta al contenitore e il supporto di altri componenti, serve come un corpo di schermo e assorbe la radiazione, ad eccezione del fascio utile che passa attraverso la finestra. La sua relativamente grande superficie esterna dissipa maggior parte del calore generato nel dispositivo. Lo spazio tra l'involucro e l'inserto è riempito con olio che fornisce isolamento e raffreddamento.

catena

Il circuito elettrico collega il telefono a una sorgente di alimentazione, che è chiamato un generatore. Fonte è alimentato dalla rete e converte la corrente alternata a corrente continua. Il generatore permette anche di regolare alcuni parametri della catena:

• KV – tensione o potenziale elettrico;
• MA – corrente che fluisce attraverso il tubo;
• S – durata o il tempo di esposizione, in frazioni di secondo.

Il circuito prevede il movimento degli elettroni. Sono accusati di energia, passando attraverso il generatore, e dare all'anodo. Come loro movimento avviene due trasformazioni:

• energia potenziale elettrica viene convertita in energia cinetica;
• cinetica, a sua volta, viene convertita in radiazione a raggi X e calore.

potenziale

Quando gli elettroni arrivano nel pallone, possiedono potenziale energia elettrica, che è determinata dalla quantità di tensione KV tra l'anodo e il catodo. Il tubo a raggi X è stato fatto funzionare ad una tensione di generare 1 KV che ogni particella deve avere 1 keV. Regolando la KV, l'operatore dà ogni elettrone è una certa quantità di energia.

cinetica

Bassa pressione in un tubo radiogeno evacuati (a 15 ° C è 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. V.) permette alle particelle sotto l'azione di emissione e forza elettrica termoionica emessi dal catodo verso l'anodo. Questa forza li accelera, con conseguente aumento della velocità e dell'energia cinetica e potenziale discendente. Quando una particella atterra sul anodo, il suo potenziale è perso, e tutta la sua energia viene convertita in energia cinetica. 100 keV elettroni raggiunge una velocità superiore alla metà della velocità della luce. Che colpisce la superficie della particella sta rallentando molto rapidamente e perdono la loro energia cinetica. Si gira a raggi X o di calore.

Gli elettroni vengono a contatto con i singoli atomi del materiale anodico. Radiazione generata dalla loro interazione con orbitali (fotoni a raggi X), e con un nucleo (bremsstrahlung).

energia di legame

Ogni elettrone in un atomo ha una certa energia di legame, che dipende dalle dimensioni di quest'ultimo e il livello a cui si trova la particella. L'energia di legame svolge un ruolo importante nella generazione dei raggi X caratteristici ed è necessaria per rimuovere un elettrone da un atomo.

bremsstrahlung

Bremsstrahlung produce il maggior numero di fotoni. Gli elettroni penetrano nel materiale anodico ed estendentesi in prossimità del nucleo, deviati o decelerato gravitazionale atomo forza. La loro energia persa durante questa riunione appare sotto forma di fotoni X-ray.

gamma di

Solo pochi fotoni hanno un vicino di energia per l'energia degli elettroni. La maggior parte di essi è inferiore. Si supponga che v'è uno spazio o campo che circonda il nucleo, in cui la forza di elettroni esperienza "inibizione". Questo campo può essere diviso in zone. Questo dà una vista del nucleo campo dell'atomo bersaglio al centro. Elettroniche che rientrano in qualsiasi parte del bersaglio viene decelerato e genera un fotone X-ray. Le particelle che cadono più vicino al centro, sono più esposte e quindi perdono la maggior parte dell'energia, producendo molto fotoni ad alta energia. Gli elettroni entrare nella zona esterna sperimentando un'interazione debole e generare fotoni di energia inferiore. Anche se la zona hanno la stessa larghezza, che hanno un'area diversa a seconda della distanza dal nucleo. Poiché il numero di particelle incidenti sulla zona, dipende dalla sua superficie totale, è ovvio che l'area esterna catturare più elettroni e causare più fotoni. spettro dei raggi X di energia può essere previsto da questo modello.

E fotoni _max spettro di bremsstrahlung principale corrispondente a E elettroni _max. Per tale ragione, al diminuire della energia del fotone aumenta il loro numero.

Un numero significativo di fotoni di bassa energia assorbita o filtrata, nel tentativo di passare attraverso la superficie del tubo anodo o scatola filtro. Filtraggio è generalmente dipendente dalla composizione e dallo spessore del materiale attraverso cui il fascio passa, e questo determina la forma finale della curva dello spettro a bassa energia.

influenza KV

La parte ad alta energia dello spettro determina i tubi a raggi xe tensione in kV (kilovolt). Questo perché determina l'energia degli elettroni raggiungono l'anodo, e fotoni non può avere il potenziale più grande di questo. Sotto qualsiasi tubo a raggi X di tensione in esecuzione? La massima energia del fotone corrisponde al potenziale massimo applicato. Questa tensione può variare durante l'esposizione a causa della rete corrente alternata. In questo caso, e _massima tensione di picco determinato dal fotone periodo di oscillazione KV _p.

Ulteriore quanti potenziale, KV _p determina la quantità di radiazione generata da un dato numero di elettroni che raggiungono l'anodo. Poiché l'efficienza totale della radiazione di bremsstrahlung è incrementato dei incidente elettroni energia aumenta, che è determinato KV _p, questo implica che il KV _p influenza l'efficienza del dispositivo.

Cambiare KV _p, di solito altera lo spettro. L'area totale sotto la curva dell'energia rappresenta il numero di fotoni. spettro filtrato è un triangolo, e la quantità di radiazione in proporzione al quadrato KV. In presenza del filtro aumenta anche aumento penetrazione KV di fotoni, che riduce la percentuale della radiazione filtrato. Questo porta ad un aumento della resa radiazioni.

onda caratteristiche

Il tipo di interazione che genera la radiazione caratteristica comprende collisione ad alta velocità con elettroni orbitali. Interazione può avvenire solo quando una parte E _della particella è maggiore dell'energia di legame di un atomo. Quando questa condizione è soddisfatta, e non v'è una collisione, l'elettrone è buttato giù. Questo lascia posizione aperta, riempito dalla particella un livello energetico superiore. Come ci muoviamo l'elettrone dà energia emessa sotto forma di fotoni X-ray. Si chiama onda caratteristiche, poiché E è il fotone caratteristico elemento chimico di cui è costituito l'anodo. Ad esempio, quando un elettrone viene buttato _collegamento strato di tungsteno con K E = 69.5 keV, il vacante è riempito con un elettrone dalla _{comunicazione} di livello L con E = 10.2 keV. Caratteristica fotone di raggi X ha energia pari alla differenza tra i due livelli, o 59,3 keV.

Infatti, il materiale anodico porta ad una serie di caratteristiche energie radiografiche. Ciò si verifica perché elettroni a vari livelli energetici (K, L, etc.) possono essere eliminati bombardando particelle ed i vuoti possono essere riempiti con una varietà di livelli energetici. Mentre il vacanti L-level genera fotoni e le loro energie sono troppo piccole per l'uso nella diagnostica per immagini. Ogni energia caratteristica è data una designazione che indica l'orbitale, in cui un vacante, con un indice che mostra una sorgente di elettroni richiesto. alfa (α) indica l'indice di elettroni di riempimento da L-livello, e beta (β) indica il livello di riempimento di M o N.

• Spettro tungsteno. L'onda caratteristiche del metallo produce uno spettro lineare costituito da diverse energie discrete e frenata genera distribuzione continua. Il numero di fotoni creati da ciascuna caratteristica energia, caratterizzato dal fatto che la probabilità di riempimento del K-livello vacante dipende dal orbitale.
• Spettro di molibdeno. Anodi di questo metallo utilizzato per la mammografia, producono due sufficientemente intensa energia caratteristica raggi X: K-alfa a 17.9 keV e il K-beta a 19,5 keV. L'intervallo ottimale di tubi a raggi X, che permette di ottenere il miglior equilibrio tra contrasto e dose di irradiazione per la dimensione media del seno realizzato a E _p = 20 keV. Tuttavia Bremsstrahlung produrre più energia. Nelle apparecchiature mammografia per rimuovere le parti indesiderate dello spettro del filtro utilizzato molibdeno. Il filtro funziona secondo il principio della «K-edge." Assorbe la radiazione in energia di legame al molibdeno atomo livello K eccesso di elettroni.
• Lo spettro di rodio. Rodio ha numero atomico 45, e molibdeno – 42. Pertanto, i raggi X caratteristici di un anodo rodio avrà un'energia leggermente superiore a quella di molibdeno e più penetrante. E 'utilizzato per l'imaging seni densi.

Anodi con superfici doppie, molibdeno, rodio, consentono all'operatore di selezionare una distribuzione ottimizzata per seni di dimensioni e densità.

L'effetto sul KV spettro

valore KV influisce notevolmente la radiazione caratteristica, cioè. K. non sarà prodotta se elettroni livello K-meno energia KV. Quando KV supera questo valore di soglia, la quantità di radiazione è generalmente proporzionale alla differenza e la soglia KV tubo KV.

Lo spettro di energia dei fotoni di fascio di raggi X emessi dal dispositivo è determinata da diversi fattori. Come regola generale, si compone di bremsstrahlung e l'interazione caratteristica.

La composizione relativa dello spettro dipende dal materiale anodico, KV e filtro. In un tubo con una caratteristica di emissione tungsteno anodo non è formata in corrispondenza KV <69,5 keV. A valori più alti di HF utilizzate in studi diagnostici, radiazione caratteristica aumenta la radiazione totale al 25%. I dispositivi di molibdeno può raggiungere al grande porzione della capacità totale di generazione.

efficienza

Solo una piccola parte dell'energia erogata dagli elettroni viene convertita in radiazione. La frazione principale viene assorbita e convertita in calore. efficienza di radiazione è definita come la frazione della potenza totale irradiata dal elettrica generale impartita anodo. I fattori che determinano l'efficienza del tubo a raggi X vengono applicati KV tensione e numero atomico Z. Il rapporto approssimativo delle seguenti:

• Efficienza = KV x Z x 10 ^-6.

Il rapporto tra efficienza e KV ha un effetto specifico per l'uso pratico di apparecchi radiologici. A causa della generazione di calore del tubo avere un limite al numero di energia elettrica che possono dissipare. Impone alla capacità del limite dispositivo. Con l'aumento KV, tuttavia, la quantità di radiazione prodotta da uno dei calore aumenta significativamente.

La dipendenza dell'efficienza di generazione di raggi X sulla composizione dell'anodo è solo di interesse accademico perché la maggior parte dei dispositivi utilizzati tungsteno. Un'eccezione è molibdeno e rodio, utilizzato nella mammografia. Efficienza di questi dispositivi è significativamente inferiore per tungsteno a causa del loro numero atomico inferiore.

efficacia

Efficienza tubo a raggi X è definito come la quantità di irradiazione millirentgenah consegnato ad un punto nel centro del fascio utile ad una distanza di 1 m dal punto focale per ogni 1 mAs elettroni che passano attraverso il dispositivo. Il suo valore rappresenta la capacità del dispositivo per convertire l'energia delle particelle cariche della radiazione a raggi X. Esso consente di determinare l'esposizione del paziente, e l'istantanea. Come efficienza, efficienza del dispositivo dipende da diversi fattori, tra cui KV, la forma d'onda di tensione, il materiale di anodo e il grado di danneggiamento superficiale al dispositivo filtro e il tempo di utilizzo.

KV-gestione

Tensione KV tubo a raggi X controlla efficacemente la radiazione in uscita. Come regola generale, si presume che l'uscita è proporzionale al quadrato della KV. Raddoppiando esposizione KV aumenta 4 volte.

waveform

La forma d'onda descrive il metodo con cui KV varia nel tempo durante la generazione di radiazione a causa della natura ciclica del potere. Usato diverse forme d'onda differenti. Il principio generale è: minore è la variazione del KV forma, la radiazione di raggi X viene prodotto in modo efficiente. Le moderne attrezzature generatori usato con relativamente costante KV.

tubi a raggi X: Produttori

Oxford Instruments Company produce vari dispositivi, compreso vetro, il potere di 250 W, 4-80 kV potenziale, le focali punto 10 micron e una vasta gamma di materiali anodici, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian offre oltre 400 diversi tipi di tubi a raggi X medicali e industriali. Altri produttori noti sono Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong et al.

In Russia prodotta tubi a raggi X "Svetlana-Roentgen". Oltre ai dispositivi tradizionali con rotazione e società anodo fisso produce dispositivi del catodo freddo flusso luminoso controllato. I vantaggi dei seguenti dispositivi:

• lavorare in un continuo e impulsi modi;
• assenza di inerzia;
• regolare l'intensità della corrente LED;
• spettro purezza;
• la possibilità di radiazione a raggi X di intensità variabile.