Kako delujejo rentgenske cevi?

X-žarki so ustvarjene s pretvorbo energije elektronov do fotonov, ki se pojavlja v rentgenske cevi. Količina (izpostavljenost) in kakovosti (spekter) sevanje je mogoče prilagoditi s spreminjanjem tok, napetost in čas instrumenta.

Princip delovanja

Rentgenske cevi (foto podan v članku) so pretvorniki energije. Dobijo ga iz omrežja in pretvori v druge oblike - prodira sevanja in toplote, slednji je nezaželen stranski produkt. Rentgenska cev napravo tako, da poveča proizvodnjo fotonov in oddaja toploto v najkrajšem možnem času.

Cev je relativno enostavna naprava, običajno obsega dve osnovni elementi - katodo in anodo. Ko tok teče od katode k anodi, elektroni izgubijo energijo, ki vodi do ustvarjanja rentgenskih žarkov.

anoda

Anoda je komponenta, kjer je emisija visoko energijo fotonov proizvaja. Gre za razmeroma masiven kovinski element, ki je priključen na pozitivni pol električnem vezju. Ima dve glavni funkciji:

• Pretvarja energijo elektronov v rentgenskem sevanju,
• To je oddaja toploto.

Material za anodo je izbran za krepitev te funkcije.

Idealno bi bilo, večina elektroni tvorijo visoko energijo fotonov, ne toplote. Razmerje celotne energije, ki se pretvori v X-sevanja (COP) odvisna od dveh faktorjev:

• atomsko število (Z) na anodni material
• energija.

V večini rentgenske cevi kot material anode uporabljajo volframa, katerega atomsko število je enako 74. Poleg velikega Z ta kovina ima nekatere druge značilnosti, zaradi katerih je primeren za ta namen. Volfram je edinstven v svoji sposobnosti, da ohrani moč pri segrevanju ima visoko tališče in nizko stopnjo izhlapevanja.

Že vrsto let, je anoda iz čistega volframa. V zadnjih letih smo začeli uporabljati to kovinsko zlitino z renija, vendar samo na površini. Samo anoda po volframa-renij prevleko iz lahkega materiala, dobro toplotno shranjevanje. Dve takšni snovi molibden in grafit.

Rentgenska cev uporabljena za mamografijo, ki je narejen z anodo, premazan s molibdena. Ta material ima vmesni atomsko število (Z = 42), ki tvori fotone z značilnim energije, ki je primerna za snemanje prsih. Nekatere mamograf naprave imajo tudi drugi anoda, formiran iz rodija (Z = 45). To omogoča povečanje energije in večjo penetracijo pri gostih prsi.

Uporaba volframa, renija zlitine izboljša dolgoročno sevalna moč - z napravami učinkovitosti čas z anodo iz čistega volframa je zmanjšana zaradi termične poškodbe površine.

Večina anode ima obliko stožčastih diskov in pritrjen na gred motorja, ki jih vrti pri relativno visokih hitrostih ob emisije rentgenskih žarkov. Namen vrtenja - odstranitev toplote.

osrednja točka

Rentgenska generacija Del za ne celoten anoda. To se zgodi v majhnem območju njene površine - goriščno mesto. Dimenzije nazadnje določena velikost elektronskega žarka iz katode. V ima večina to pravokotne oblike spreminja v 0,1-2 mm naprav.

Oblikovanje Cev x-ray z določeno velikostjo osrednja mestu. Manjša je, manj gibanja zamegljenosti in večja ostrina, in kar je še več, boljše odvajanje toplote.

Goriščno točko, je dejavnik, ki ga je treba upoštevati pri izbiri rentgenske cevi. Proizvajalci proizvajajo naprave z majhno goriščno mestu, kjer je to potrebno za dosego visoke ločljivosti in je dovolj majhna sevanja. Na primer, je potrebno v študiji malih in občutljivih delov telesa, kot na mamografijo.

Rentgenska cev večinoma proizvajajo žariščne pege z dveh velikostih - večjih in manjših, ki jih operater lahko izberejo v skladu s postopkom, ki tvori sliko.

katodni

Glavna funkcija katode - za ustvarjanje elektrone in jih zbira v žarek usmerjen na anodo. To je praviloma sestavljena iz majhnega spiralne žice (žarilno) vdelan v čašasto oblikovan izrez.

Elektroni, ki potekata skozi vezje običajno ne more zapustiti dirigent in pusti prazen prostor. Vendar pa lahko to počnejo, če dobijo dovolj energije. V postopku, znanem kot toplotno emisijo, uporaba toplote za izgon elektronov iz katode. To postane mogoče, ko se tlak v odzračen rentgenske cevi doseže 10 ^-6 -10 ^-7 tor. Art. Garn se segreje na enak način kot spiralne žarilno nitko z vodenjem tekočega skozenj. Delo katodne cevi spremlja segrevanjem na temperaturo luminiscentne izpodrivanja toplotne energije iz nje elektronov.

balon

Anoda in katoda sta vsebovana v zatesnjenem ohišju - valj. Balon in njena vsebina se pogosto omenja kot vložek, ki ima omejeno življenjsko dobo in jih je mogoče zamenjati. rentgensko cev Običajno imajo odebeljenim, čeprav kovine in keramike cilindri uporablja za nekatere aplikacije.

Glavna naloga je podpora posodo in izolacijo anode in katode, in ohranjanja vakuumsko. Tlak v evakuirani rentgenske cevi pri 15 ° C, 1,2 x 10 ^-3 Pa. Prisotnost plina v rezervoarju bi omogočilo električne energije, da teče skozi napravo prosto, ne samo v obliki elektronskim curkom.

stanovanja

Naprava rentgenska cev tako, da se poleg komore podporo drugih komponent, služi kot ščit telo in absorbira sevanje, razen koristnega snopa, ki poteka skozi okno. Njegovo relativno velika zunanja površina oddaja največ toplote, ki nastaja v napravi. Prostor med cisterno in vložka je napolnjena z oljem, ki zagotavlja izolacijo in ohlajanje.

verige

Električni tokokrog povezuje telefon na vir napajanja, ki se imenuje generator. Vir se napaja iz omrežja in pretvarja izmenični tok za enosmerni tok. Generator omogoča tudi prilagajanje nekatere parametre verige:

• KV - napetost in električni potencial;
• MA - tok, ki teče skozi cev;
• S - trajanje ali čas izpostavljenosti, v delčku sekunde.

Vezje zagotavlja pretok elektronov. So napolnjen z energijo, ki poteka skozi generator, in ga dati na anodo. Kot njihovega gibanja nastopi dva transformacije:

• električna potencialna energija se pretvori v kinetično energijo;
• kinetični, ta pa se pretvori v rentgensko sevanje in toploto.

potencial

Ko elektroni pridejo v erlenmajerico, imajo potencialno električno energijo, ki jo določimo s količino KV napetosti med anodo in katodo. Rentgenska cev deluje pri napetosti ustvariti 1 kV, ki jih mora imeti vsak delec 1 keV. Z nastavitvijo KV, operater daje vsak elektronov je določena količina energije.

kinetika

Nizek tlak v odzračen rentgenska cev (pri 15 ° C je 10 ^-6 -10 ^-7 tor. V.) Omogoča delcev pod vplivom emisij in Termoelektronski elektrostatične sile, emitiranega iz katode k anodi. Ta sila jih pospešuje, kar ima za posledico povečano hitrostjo in kinetično energijo in potencialno padajoče. Ko delec pristane na anodi, ki je njen potencial izgubljen, in vso svojo energijo pretvori v kinetično energijo. 100 keV elektronov doseže hitrost več kot polovico hitrosti svetlobe. Presenetljivo površino delca upočasnjuje zelo hitro in izgubijo svojo kinetično energijo. Ona se obrne k rentgenskih žarkov ali toplote.

Elektroni pridejo v stik s posameznimi atomi anodni material. Motnje, ki jih njihove interakcije s orbital (rentgenskih fotonov), in z jedrom (zavorno sevanje).

zavezujoče energetske

Vsaka elektronov v atomu ima določeno vezavno energijo, ki je odvisna od velikosti le-teh in na ravni, na kateri se nahaja delcev. Vez energija igra pomembno vlogo pri nastanku karakterističnih rentgenskih žarkov, ki je potrebna za odstranitev elektron izmed atoma.

zavorno sevanje

Zavorno sevanje proizvaja največje število fotonov. Elektroni prodrejo v anodni material, in se razteza blizu jedra, odbije in upočasnila gravitacijsko atom silo. Njihova izgubljeno v tem srečanju energije pojavi v obliki rentgenske fotona.

paleta

Le nekaj fotoni imajo energijsko bližini elektronov energije. Večina od njih je nižja. Predpostavimo, da obstaja prostor ali polju, ki obdaja jedro, kjer elektroni izkušnja sila "inhibicija." To polje lahko razdelimo na cone. To daje pogled jedra polja ciljne atoma v sredini. Elektronska spadajo kjerkoli v cilju zavira in ustvarja X-ray foton je. Delci, ki spadajo bliže centru, so najbolj izpostavljeni in zato izgubili največ energije, ki proizvaja zelo visoko energetsko fotonov. Elektroni vstopajo v zunanjo cono doživlja šibko interakcijo in ustvarjajo fotoni nižjega energije. Čeprav na področju imajo enako širino, ki imajo drugo območje, odvisno od oddaljenosti od jedra. Ker je število delcev incidenta na območju, je odvisno od njegove celotne površine, je očitno, da je zunanja površina zajame več elektronov in povzroči več fotonov. energija rentgenski spekter lahko predvidi s tem modelom.

_Emax fotoni glavno zavorno sevanje spekter ustreza _Emax elektronov. Pod to točko, z zmanjšanjem fotona energije povečuje njihovo število.

Znatno število fotonov nizke energije absorbira ali filtrirali, kot so poskus skozi površino anode cevi ali polje filtra. Filtriranje je na splošno odvisna od sestave in debeline materiala, skozi katero prehaja žarek, in to določi končno obliko krivulje spektra nizkoenergijske.

vpliv KV

Energijsko del spektra določa napetost rentgenske cevi v kV (kilovolt). To je zato, ker določa energijo elektronov, ki so dosegli anode, in fotoni ne more imeti potencial večji od tega. Pod napetostjo vozno rentgenske cevi? Največja foton energije ustreza največji uporablja potencial. Ta napetost se lahko razlikuje med izpostavljenostjo zaradi izmeničnega toka omrežja. V tem primeru, E _max temensko napetost, ki določa foton nihanje rok KV _str.

Nadalje potencial Quanta, KV _strani določa količino sevanja, ki nastane na določeno število elektronov, ki je znašala anode. Ker je celotna učinkovitost zavorno sevanje sevanja povečala za energentov povečuje incident elektronov, ki se določi KV _p, to pomeni, da je KV _p vpliva na učinkovitost naprave.

Spreminjanje KV _p, ponavadi spremeni spekter. Skupna površina pod energije krivuljo predstavlja število fotonov. Nefiltrirano spekter je trikotnik, in količina sevanja v sorazmerju s kvadratni KV. V navzočnosti filtra prav tako povečuje KV povečanje penetracije fotonov, ki zmanjšuje odstotek filtriranega sevanja. To vodi do povečane dobitkom sevanja.

značilnost sevanje

Vrsta interakcije, ki ustvarja značilno sevanje obsega visoke hitrosti trk s orbitalnih elektronov. Interakcija lahko poteka le, če ima del E _delca večja od vezavne energije atoma. Ko je ta pogoj izpolnjen, in da je do trčenja, elektronov je potrkal ven. To pušča odprto pozicijo, napolnjena s delca višjo raven energije. Kot smo premakniti elektronov daje energijo odda v obliki rentgenske fotona. To se imenuje karakteristika sevanja, saj je E fotonov značilni kemijski element, iz katerega je narejena anoda. Na primer, ko je elektron stisnil K volframov plast _povezava z E = 69.5 keV je delovno mesto napolnjena z elektronprivlačno iz _sporočila o ravni L z E = 10.2 keV. Tipičen rentgenski fotonov je energija, ki je enaka razliki med dvema nivojema, ali 59.3 keV.

Dejansko anoda materiala vodi do več karakterističnih rentgenskih energije. Vzrok se elektroni na različnih ravneh energije (K, L, itd) udari obstreljevanjem delcev in mesta se lahko napolni z različnimi stopnjami energije. Medtem ko je L-stopnja prostih delovnih mest ustvarja fotonov in njihova energija je premajhna za uporabo v diagnostičnem slikanju. Vsaka značilnost energija dobi oznako, ki označuje orbitalna, pri čemer delovno mesto, z indeksom, ki prikazuje vir elektronov potrebno. alfa (α) označuje indeks polni elektronov iz ravni L, in beta (β) označuje raven polnjenja M ali N.

• Spectrum volframa. Značilnost sevanje kovine daje linearni spekter sestavljena iz več diskretnih energije in zavorno ustvarja neprekinjeno porazdelitev. Število fotonov vsaka značilno energijo ustvarjena, označen s tem, da je verjetnost polnjenje ravni K delovno mesto je odvisna od orbitalna.
• Spectrum molibden. Anode te kovine, uporabljene za mamografijo, dobimo dve zadostne jakosti karakteristično rentgenski energije: K-alfa pri 17,9 keV in K-beta pri 19,5 keV. Optimalna spekter rentgenske cevi, ki omogoča, da se doseže najboljšo uravnoteženost med kontrastom in dozi sevanja za povprečno velikostjo dojk doseči na E _p = 20 keV. Vendar zavorno sevanje proizvedejo več energije. V mamografijo opremo za odstranjevanje neželene dele spektra molibdena filtra. Filter deluje na principu «K-robu." To absorbira sevanje v vezne energije na atomu molibdena na ravni K presežne elektronov.
• Spekter rodij. Rodij ima atomsko število 45, in molibdena - 42. Zato se karakteristični rentgenskimi žarki rodija anodo ima nekoliko višjo energijo kot da molibdena in bolj prodirajo. Uporablja se za slikanje gosto prsi.

Anode z dvojnimi površinah, molibdena, rodij, omogočajo strojniku izbiro porazdelitev optimiziran za prsi različnih velikosti in gostote.

Učinek na KV spektra

KV vrednost močno vpliva na značilno sevanja, tj. K. To se ne bo nastala, če bi manj KV elektrone ravni K-energijo. Ko KV presega to mejno vrednost, je količina sevanja je na splošno sorazmerna razliki in cevi KV praga KV.

Energija spekter fotonov rentgenskih žarka iz naprave se določi vrsta dejavnikov. Kot pravilo, je sestavljen iz ustvarja zavorno sevanje in značilne interakcije.

Relativna Sestavek spektra odvisna od anodni material, KV in filter. V epruveti s karakteristiko emisijske volframov anod ni tvorjen na KV <69,5 keV. Pri višjih vrednostih HF se uporabljajo v diagnostične študije, značilna sevanje povečuje skupno sevanja do 25%. Naprave molibdena, da lahko dosežejo velik del celotne proizvodne zmogljivosti.

učinkovitost

Le majhen del energije, ki jo elektronov dostavi se pretvori v sevanje. Glavna frakcija se absorbira in pretvori v toploto. Učinkovitost sevanja je definiran kot del celotnega sevalna moč iz glavnega električnega prenaša anode. Faktorji, ki določajo učinkovitost rentgenske cevi se uporabljajo napetost kV in atomskim številom Z. približno razmerje od naslednjih:

• Učinkovitost = KV X Z x 10 ^-6.

Razmerje med učinkovitostjo in KV ima poseben učinek na praktično uporabo rentgenske opreme. Zaradi toplote cevi imajo omejitev števila električne energije, ki se lahko sprošča. To nalaga zmogljivosti meje naprave. Z naraščajočo KV, pa je količina sevanja, ki ga proizvaja eden toplote bistveno poveča.

Odvisnost učinkovitosti generacije rentgenskem o sestavi anode je le akademske zanimivi, ker večini naprav uporablja volfram. Izjema je molibden in rodija, uporabljene v mamogram. Učinkovitost teh naprav je bistveno nižja za volframa zaradi svoje nižje atomskega števila.

učinkovitost

Učinkovitost rentgenska cev je definirana kot količina obsevanje millirentgenah dostavljena do točke na sredini koristnega snopa na razdalji 1 m od osrednje mesto za vsak 1 Mas elektronov poteka skozi napravo. Njegova vrednost predstavlja zmožnost naprave za pretvorbo energije od nabitih delcev v rentgenskem sevanju v. To vam omogoča, da določite izpostavljenost bolnika, in posnetek. Kot učinkovitost, učinkovitost naprave je odvisna od več faktorjev, vključno s KV, oblike vala napetosti, anodni material in stopnjo površinskih poškodb filtrirne naprave in časa uporabe.

KV-upravljanje

Napetost KV rentgenske cevi učinkovito krmili izhodni sevanja. Praviloma se predpostavlja, da je izhod sorazmerna s kvadratom KV. Podvojitev izpostavljenost KV poveča 4-krat.

valovno

Valovanje opisana metoda, s katero KV spreminja s časom med nastajanjem sevanja zaradi cikličnega značaja moči. Rabljeni več različnih valovnih oblik. Splošno načelo je: manjša je sprememba oblike KV, je rentgenska sevanje proizvaja učinkovito. Sodobna oprema, rabljeni generatorji z relativno konstantno KV.

Rentgenske cevi: Proizvajalci

Oxford Instruments Podjetje izdeluje različne naprave, kot so steklo, moči do 250 W, 4-80 kV potencial, kontaktne točka 10 mikronov in široko paleto anode materialov, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W

Varian ponuja več kot 400 različnih vrst medicinskih in industrijskih rentgenskih cevi. Drugi znani proizvajalci so Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong et al.

V Rusiji proizvajajo rentgenske cevi "Svetlana-rentgen". Poleg tradicionalnih naprav z vrtečim in stacionarno anode podjetje izdeluje naprave za hladno katodo svetlobnega toka nadzorovano. Prednosti naslednjih naprav:

• delo v sprotno in impulznih načinov;
• Odsotnost vztrajnosti;
• ureja intenzivnost LED tok;
• čistost spektra;
• možnost rentgenskega sevanja različno intenzivnostjo.