När röntgenrören fungerar?

Röntgenstrålar genereras genom att omvandla energin hos elektronerna att fotoner, som uppträder i röntgenröret. Kvantitet (exponering) och kvalitet (spektrum) strålning kan justeras genom att ändra ström, spänning och tid för instrumentet.

Principen för drift

Röntgenrör (bild ges i artikeln) är energiomvandlare. De får det från nätet och omvandlas till andra former - genomträngande strålning och värme, den senare är en oönskad biprodukt. Röntgenrör anordning sådan att den maximerar produktionen av fotoner och avleder värmen så snabbt som möjligt.

Röret är en relativt enkel anordning, som typiskt innefattar två grundläggande element - en katod och en anod. När ström flyter från katoden till anoden, elektronerna förlorar energi, vilket leder till alstringen av röntgenstrålning.

anod

Anoden är en komponent, varvid utsläpp av högenergetiska fotoner produceras. Detta är en relativt massiv metallelement som är anslutet till den positiva polen på den elektriska kretsen. Den har två huvudfunktioner:

• Den omvandlar elektronenergin till röntgenstrålning,
• Det avleder värme.

Materialet för anoden är vald för att förbättra dessa funktioner.

Helst bör de flesta av elektronerna bilda en högenergetiska fotoner, snarare än värme. Förhållandet av den totala energin, som omvandlas till röntgenstrålning (COP) beror på två faktorer:

• atomnummer (Z) av anodmaterialet,
• elektronenergi.

I de flesta röntgenrör som ett material av anoden används volfram, vars atomnummer är lika med 74. Förutom den stora Z, har denna metall vissa andra egenskaper som gör den lämplig för detta ändamål. Volfram är unik i sin förmåga att bibehålla styrka vid uppvärmning, har en hög smältpunkt och en låg avdunstningshastighet.

Under många år, är anoden gjord av ren volfram. Under de senaste åren, började vi använda denna metallegering med rhenium, men bara på ytan. Själv anod under volfram-rhenium beläggning gjord av lätt material, god värmelagring. Två sådana substanser är molybden och grafit.

Röntgenröret används för mammografi, är gjord med anoden, belagd med molybden. Detta material har en mellanliggande atomtal (Z = 42), som genererar fotoner med karakteristisk energi, lämplig för inspelning av bröstet. Vissa mammografianordningar har även en andra anod, bildad av rodium (Z = 45). Detta gör det möjligt att öka energi och uppnå större genomslag för täta bröst.

Användning av volfram-rhenium-legering förbättrar långtids strålning utgång - med tiden effektivitets enheter med anod av ren volfram är reducerad på grund av termisk skada på ytan.

De flesta av anoden har formen av de avsmalnande skivor och fäst vid motoraxeln, som roterar dem med relativt höga hastigheter vid tiden för utsläpp av röntgenstrålar. Syftet med rotation - avlägsnandet av värme.

fokalpunkt

Röntgen generation del inte hela anoden. Den förekommer i ett litet område av dess yta - bränn plats. Dimensioner sista bestäms storleken av elektronstrålen som kommer från katoden. I majoriteten av den har en rektangulär form varierar inom 0,1-2 mm enheter.

Den röntgenröret design med en viss storlek på brännpunkten. Ju mindre det är, desto mindre rörelseoskärpa och högre skärpa, och vad mera är, desto bättre värmeavledning.

Fokalpunktstorleken är en faktor som måste beaktas vid val av röntgenröret. Tillverkarna producerar enheter med små bränn plats, där det är nödvändigt för att uppnå hög upplösning och tillräckligt liten strålning. Till exempel krävs det i studiet av små och känsliga delar av kroppen som i mammografi.

Röntgenröret producerar främst fokala fläckar med två storlekar - stora och små, som kan väljas av operatören i enlighet med den bildskapande förfarandet.

katod

Den huvudsakliga funktionen för katoden - att generera elektroner och samla dem till en stråle riktad mot anoden. Den består i allmänhet av en liten spiraltråd (filament) inbäddade i ett koppformat urtag.

Elektroner som passerar genom kretsen kan normalt inte lämna ledaren och lämna ett fritt utrymme. Däremot kan de göra det, om de får tillräckligt med energi. I en process som kallas termisk emission, används värmen för att driva ut elektronerna från katoden. Detta blir möjligt när trycket i en evakuerad röntgenröret når 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. Art. Garnet upphettas på samma sätt som en spiral glödlampa genom att leda en ström därigenom. Arbete katodstrålerör åtföljs av upphettning till en temperatur luminiscens förskjutning termisk energi däri elektronerna.

ballong

Anoden och katoden är inneslutna i ett förseglat hölje - cylinder. Ballongen och dess innehåll är ofta kallas en insats, som har en begränsad livslängd och kan bytas ut. X-stråleröret har i allmänhet en glaskolv, även om metall och keramiska cylindrar används för vissa tillämpningar.

Den huvudsakliga funktionen är att stödja behållaren och isolering av anoden och katoden, och upprätthålla vakuum. Trycket i den evakuerade röntgenröret vid 15 ° C är 1,2 x 10 ^-3 Pa. Närvaron av gas i tanken skulle tillåta elektricitet att strömma genom anordningen fritt, inte bara i form av en elektronstråle.

hölje

rörsapparat röntgen sådan att, förutom till inneslutningen och stöd av andra komponenter, det fungerar som ett skyddskroppen och absorberar strålningen, med undantag för den användbara stråle som passerar genom fönstret. Dess relativt stor yttre yta avleder det mesta av den värme som alstras i anordningen. Utrymmet mellan skalet och insatsen är fylld med olja som ger isolering och kylning därav.

kedja

Den elektriska kretsen ansluter telefonen till en strömkälla, som kallas en generator. Källa drivs från nätverket och omvandlar växelström till likström. Generatorn kan du också ställa in vissa parametrar i kedjan:

• KV - spänning eller elektrisk potential;
• MA - ström som flyter genom röret;
• S - varaktighet eller exponeringstid, på bråkdelen av en sekund.

Kretsen åstadkommer rörelse av elektroner. De är laddade med energi, som passerar genom generatorn, och ge den till anoden. Som deras rörelse sker två transformationer:

• elektrisk potentiell energi omvandlas till kinetisk energi;
• kinetisk, i sin tur, omvandlas till röntgenstrålning och värme.

potential

När elektronerna anländer i kolven, de besitter potentiell elektrisk energi, som bestäms av den mängd KV spänning mellan anoden och katoden. Röntgenröret drevs vid en spänning för att generera en KV som varje partikel måste ha ett keV. Genom justering av KV, ger föraren varje elektron är en viss mängd energi.

kinetik

Lågt tryck i en evakuerad röntgenrör (vid 15 ° C är 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. V.) Tillåter partiklarna under inverkan av emission och termojonisk elektrisk kraft som emitteras från katoden till anoden. Denna kraft accelererar dem, vilket resulterar i ökad hastighet och kinetisk energi och potentiell fallande. När en partikel landar på anoden, är dess potential förlorad, och alla dess energi omvandlas till kinetisk energi. 100-keV elektron uppnår en hastighet som är större än halv ljusets hastighet. Slående partikelns yta avtar mycket snabbt och förlorar sin rörelseenergi. Hon vänder sig till röntgenstrålar eller värme.

Elektroner kommer i kontakt med de individuella atomerna i anodmaterialet. Strålning som alstras av deras interaktion med orbitaler (X-ray fotoner), och med en kärna (bromsstrålning).

bindningsenergi

Varje elektron i en atom har en viss bindningsenergi, som beror på storleken av den senare och den nivå vid vilken partikeln är belägen. Bindningsenergin spelar en viktig roll i genereringen av de karakteristiska röntgenstrålarna och det behövs för att ta bort en elektron från en atom.

bromsstrålning

Bromsstrålning alstrar det största antalet fotoner. Elektronerna tränger in i anodmaterialet och sträcker sig nära till kärnan, avlänkas och retar tyngdkraft atom. Deras energi som förloras under detta möte visas i form av röntgenfoton.

intervall av

Endast ett fåtal fotoner har en energi nära elektronenergin. Majoriteten av dem är lägre. Antag att det finns ett utrymme eller fält som omger kärnan, varvid elektroner erfarenhet kraften "hämning." Detta fält kan delas in i zoner. Detta ger en vy av fältet kärna av målet atomen i centrum. Elektroniska faller någonstans i mål-retarderas och genererar en röntgenfoton. Partiklar som faller närmast centrum är mest utsatta och därmed förlorar mest energi, producerar mycket hög energi fotoner. Elektroner in i den yttre zonen upplever en svag växelverkan och generera fotoner med lägre energi. Även området har samma bredd, att de har ett annat område beroende på avståndet från kärnan. Eftersom antalet partiklar incident på zonen, beror på dess totala yta, är det uppenbart att den externa området fånga fler elektroner och orsaka fler fotoner. energiröntgenspektrum kan förutsägas genom denna modell.

E _max fotoner huvudbromsstrålning spektrum motsvarande _{Emax-elektroner.} Under denna punkt, med minskande fotonenergin ökar deras antal.

Ett betydande antal av fotoner med låg energi som absorberas eller filtreras, när de försöker att passera genom ytan av anoden rör eller box-filter. Filtrering är i allmänhet beroende på sammansättningen och tjockleken av det material genom vilket strålen passerar, och detta bestämmer den slutliga formen av kurvan spektrum med låg energi.

inflytande KV

Den energirika delen av spektrumet bestämmer spännings röntgenrör i kV (kilovolt). Orsaken är att det bestämmer energin av elektroner når anoden, och fotoner kan inte ha potential större än så. Under någon spännings rinnande röntgenrör? Den maximala fotonenergi motsvarar det maximala pålagda potentialen. Denna spänning kan variera under exponering till följd av växelströmmen nätverket. I detta fall, _Emax toppspänning bestämmes genom foton oscilleringsperioden KV _s.

Ytterligare potential kvanta, bestämmer KV _p den mängd strålning som alstras av ett givet antal elektroner som når anoden. Eftersom den totala verkningsgraden av bromsstrålnings strålning ökas av infallande elektronenergin ökar, vilket bestäms KV _p, innebär detta att KV _p påverkar effektiviteten hos anordningen.

Föränderlig KV _p, vanligtvis förändrar spektrumet. Den totala arean under den energi kurvan representerar antalet fotoner. Ofiltrerat spektrum är en triangel, och mängden strålning i proportion till kvadraten KV. I närvaro av filtret ökar också KV ökning penetration av fotoner, vilket minskar den andel av den filtrerade strålningen. Detta leder till ökad strålning utbyte.

karakteristisk strålning

Den typ av interaktion som genererar den karakteristiska strålningen innefattar höghastighets kollision med orbital elektroner. Växelverkan kan endast ske när en del E i _partikeln har större än bindningsenergin av en atom. När detta villkor är uppfyllt, och det finns en kollision, elektronen slås ut. Detta lämnar öppet läge, fylld av partikeln en högre energinivå. När vi går elektrons ger energi som avges i form av röntgenfoton. Det kallas den karakteristiska strålningen, eftersom E är foton karakteristiska kemiska elementet från vilket anoden är gjord. Till exempel när en elektron knackade K volframskikt _samband med E = 69,5 keV, är den lediga fylld med en elektron från L-nivån _{kommunikation} med E = 10,2 keV. Karakteristiska röntgenfoton har energi lika med skillnaden mellan de två nivåerna, eller 59,3 keV.

I själva verket leder anodmaterialet till ett antal karakteristiska röntgenenergier. Detta inträffar eftersom elektroner på olika energinivåer (K, L, etc) kan slås bombarding partiklar och de lediga platser kan fyllas med en mängd olika energinivåer. Medan den lediga L-nivå genererar fotoner och deras energier är för små för användning i diagnostisk avbildning. Varje egenskap energin ges en beteckning som anger den kretsande, varvid en vakans, med ett index, som visar en elektronkälla krävs. alfa (α) betecknar index för fyllning elektron från L-nivå, och beta (β) anger fyllnadsnivån av M eller N.

• Spectrum volfram. Den karakteristiska strålningen av metallen åstadkommer en linjär spektrum bestående av flera diskreta energier och bromsning genererar kontinuerlig fördelning. Antalet fotoner som skapats av varje egenskap energi, kännetecknat av att sannolikheten för att fylla den lediga K-nivån beror på den orbital.
• Spectrum molybden. Anoder av denna metall som används för mammografi, producera två tillräckligt intensiv karaktäristisk röntgenenergi: K-alfa vid 17,9 keV och K-beta vid 19,5 keV. Det optimala området av röntgenrör, vilket gör det möjligt att uppnå den bästa balansen mellan kontrast och bestrålningsdos för den genomsnittliga bröst storlek uppnås på E _p = 20 keV. Men bromsstrålning producera mer energi. I mammografiutrustning för att avlägsna oönskade delar av det spektrum som används molybdenfilter. Filtret fungerar enligt principen om «K-kant." Den absorberar strålning i överskottselektronbindningsenergi på K-nivå molybdenatom.
• Det spektrum av rodium. Rodium har atomnummer 45, och molybden - 42. Därför kommer de karakteristiska röntgenbilder av en rodium anod har en något högre energi än molybden och mer genomträngande. Det används för avbildning täta bröst.

Anoder med dubbel ytareor, molybden, rodium, möjliggöra för operatören att välja en fördelning optimerad för bröst av olika storlek och densitet.

Effekten på spektrumet KV

KV värdet påverkar i hög grad den karakteristiska strålningen, dvs. K. Det kommer inte att produceras om mindre KV K-energinivå elektroner. När KV överskrider detta tröskelvärde, är mängden strålning i allmänhet proportionell mot skillnaden och tröskel KV röret KV.

Energispektrum för fotoner av röntgenstråle som avges från anordningen bestäms av flera faktorer. Som regel består den av bromsstrålning och den karaktäristiska interaktion.

Den relativa sammansättningen av spektrumet beror på anodmaterialet, KV och filtrera. I ett rör med en volfram anod karakteristiska emissions bildas inte vid KV <69,5 keV. Vid högre värden av HF som används i diagnostiska studier, ökar karakteristisk strålning den totala strålningen till 25%. Molybden hjälpmedel som den kan nå en stor del av den totala produktionskapacitet.

effektivitet

Endast en liten del av den energi som levereras av elektronerna omvandlas till strålning. Huvudfraktionen absorberas och omvandlas till värme. strålningseffektivitet definieras som den fraktion av total utstrålad effekt från det allmänna elektriska förlänas anod. De faktorer som bestämmer effektiviteten hos röntgenröret är pålagd spänning KV och atomnummer Z. ungefärligt förhållande av följande:

• Effektivitet = KV x Z x 10 ^-6.

Förhållandet mellan effektivitet och KV har en specifik effekt på den praktiska användningen av röntgenutrustning. På grund av värmeutvecklingen av röret har en gräns för hur många av elkraft att de kan försvinna. Den ålägger kapacitet gränsordningen. Med ökande KV emellertid den mängd strålning som alstras av en av värme ökar signifikant.

Beroendet av effektiviteten hos röntgengenerering på sammansättningen av anoden är endast av akademiskt intresse eftersom de flesta enheter används volfram. Ett undantag är molybden och rodium, som används i mammografi. Effektivitet av dessa enheter är betydligt lägre för volfram på grund av deras lägre atomnummer.

effektivitet

Effektivitet röntgenrör definieras som den mängd av bestrålning millirentgenah levereras till en punkt i mitten av den användbara strålen på ett avstånd av 1 m från fokalpunkten för varje 1 mAs elektroner som passerar genom anordningen. Dess värde representerar förmågan hos anordningen för att omvandla energin hos de laddade partiklarna i röntgenstrålning. Det gör att du kan bestämma exponeringen av patienten, och snapshot. Som effektivitet, effektiviteten hos anordningen beror på flera faktorer, inklusive KV, spänningen vågform, anodmaterialet och graden av ytan skador på filteranordningen och tidpunkten för användning.

KV-ledning

Spänning KV röntgenrör kontrollerar effektivt utgångsstrålningen. Som regel är det antas att utgången är proportionell mot kvadraten på KV. Fördubbling KV exponering ökar 4 gånger.

vågform

Vågformen beskriver den metod enligt vilken KV varierar med tiden under alstringen av strålning på grund av den cykliska naturen av kraft. Använde flera olika vågformer. Den allmänna principen är: ju mindre förändring i form KV, är röntgenstrålning produceras effektivt. Den moderna utrustning som används generatorer med relativt konstant KV.

Röntgenrör: Tillverkare

Oxford Instruments Company tillverkar olika enheter, inklusive glas, effekt till 250 W, 4-80 kV potential, de fokala fläck 10 mikron och ett brett spektrum av anodmaterial, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian erbjuder över 400 olika typer av medicinska och industriella röntgenrör. Andra kända tillverkare är Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong et al.

I Ryssland produceras röntgenrör "Svetlana-Roentgen". Utöver traditionella anordningar med roterande och stationära anod företag tillverkar anordningar av den kallkatodljusflödet regleras. Fördelarna med följande enheter:

• arbeta i en kontinuerlig och pulslägen;
• frånvaro av tröghets;
• reglering av intensiteten hos den LED-strömmen;
• spektrum renhet;
• möjligheten av röntgenstrålning av varierande intensitet.