Hvordan fungerer røntgenrør?

Røntgenstråler er generert avomdannelse av elektronenergien til fotoner, som forekommer i røntgenrøret. Mengden (eksponering) og kvalitet (spektrum) av stråling kan reguleres ved å endre aktuell, spenning og driftstid for instrumentet.

Operasjonsprinsipp

Røntgenrør (bildet er gitt i artikkelen)er energi omformere. De får det fra nettverket og gjør det til andre former - penetrerende stråling og varme, mens sistnevnte er et uønsket biprodukt. Røntgenrøranordningen er slik at den maksimerer produksjonen av fotoner og sprer varme så fort som mulig.

Røret er relativt enkeltEnheten inneholder som regel to hovedelementer - en katode og en anode. Når strømmen flyter fra katoden til anoden, mister elektronene energi, noe som fører til generering av røntgenstråler.

anode

Anoden er komponenten derutslipp av høyenergimikroner. Dette er et relativt stort element av metall som forbinder den elektriske kretsens positive pol. Den utfører to hovedfunksjoner:

• konverterer energien til elektroner i røntgenstråler,
• sprer varme.

Materialet for anoden er valgt for å forbedre disse funksjonene.

Ideelt sett bør de fleste elektroner danne høy energi fotoner, i stedet for varme. Andelen av deres totale energi, som omdannes til røntgenstråling, (EFFEKTIVITET) avhenger av to faktorer:

• atomnummeret (Z) av anodmaterialet,
• energi av elektroner.

I de fleste røntgenrør som enAnodematerialet bruker wolfram, hvis atomnummer er 74. I tillegg til den store Z har dette metall noen andre egenskaper som gjør det egnet til dette formålet. Tungsten er unik i sin evne til å opprettholde styrke ved oppvarming, har et høyt smeltepunkt og en lav fordampningshastighet.

I mange år ble anoden laget av renwolfram. I de senere årene har vi begynt å bruke en legering av dette metallet med rhenium, men bare på overflaten. Anoden selv under wolfram-rheniumbelegget er laget av et lett materiale som akkumulerer varmebrønn. To slike stoffer er molybden og grafitt.

Røntgenrør brukes tilmammografi, er fremstilt med en anode belagt med molybden. Dette materialet har et mellomliggende atomnummer (Z = 42), som genererer karakteristiske fotoner med energi som er praktisk for å skape et bryst. Noen mammografiinstrumenter har også en andre anode laget av rhodium (Z = 45). Dette gjør at du kan øke energi og oppnå større penetrasjon for et tett bryst.

Bruken av rhenium-wolfram legering forbedrerLangsiktig strålingsutbytte - over tid reduseres effektiviteten til enheter med en anode av ren wolfram på grunn av termisk skade på overflaten.

De fleste anoder har formen av fasade platerog er festet til akselen til den elektriske motoren, som roterer dem med relativt høye hastigheter under utslipp av røntgenstråler. Formålet med rotasjon er å fjerne varmen.

Fokalpunkt

I genereringen av røntgenstråler,hele anoden. Det forekommer på et lite område av overflaten - et fokuspunkt. Dimensjonene til sistnevnte bestemmes av dimensjonene til elektronstrålen som kommer fra katoden. I de fleste enheter har den en rektangulær form og varierer innenfor området 0,1-2 mm.

Røntgenrørprosjekter med en viss størrelse på brennpunktet. Jo mindre det er, jo mindre uskarpheten og skarpere bildet, og jo mer det er, desto bedre blir varmen fjernet.

Størrelsen på fokuspunktet er en avfaktorer som må tas i betraktning ved valg av røntgenrør. Produsenter produserer enheter med små fokuspunkter når det er nødvendig å oppnå høy oppløsning og tilstrekkelig liten stråling. For eksempel er det nødvendig i studien av små og tynne deler av kroppen, som i mammografi.

Røntgenrør produseres hovedsakelig med fokuspunkter i to størrelser - stort og lite, som kan velges av operatøren i samsvar med prosedyren for bildedannelse.

katoden

Katodens hovedfunksjon er å generere elektroner og samle dem i en stråle rettet mot anoden. Som regel består den av en liten trådspiral (filament), nedsenket i en koppformet depresjon.

Elektroner som passerer gjennom en krets, kan vanligvis ikkeforlat dirigenten og gå inn i ledig plass. Men de kan gjøre dette hvis de får nok energi. I prosessen kjent som termionisk utslipp, brukes varme til å utvise elektroner fra katoden. Dette blir mulig når trykket i det evakuerte røntgenrøret når 10^-6-10^-7 mm Hg. Art. Filamentet oppvarmes på samme måte som glødelampens glødelampe når strømmen strømmer gjennom den. Arbeidet med røntgenrøret er ledsaget av oppvarming av katoden til luminescenstemperaturen med forskyvning av en del av elektronene med den termiske energien fra den.

ballong

Anoden og katoden er inneholdt i et lukket kabinett -flaske. Ballongen og dens innhold kalles ofte en innsats som har en begrenset levetid og kan erstattes. Røntgenrør har hovedsakelig glasspærer, selv om metall- og keramiske sylindere brukes til enkelte applikasjoner.

Sylinderens hovedfunksjon er å gi støtte og isolasjon av anoden og katoden, og opprettholde et vakuum. Trykket i det evakuerte røntgenrøret ved 15 ° C er 1,2 × 10^-3 Pa. Tilstedeværelsen av gasser i sylinderen vil tillate elektrisitet å strømme gjennom enheten fritt, og ikke bare i form av en elektronstråle.

bolig

Arrangementet av røntgenrøret er slik at, iI tillegg til gjerdet og støtten til andre komponenter, fungerer kroppen som et skjold og absorberer stråling, med unntak av en nyttig stråle som passerer gjennom vinduet. Dens relativt store ytre overflate sprer mye av varmen som genereres inne i enheten. Plassen mellom kroppen og innsatsen er fylt med olje, som gir isolasjon og kjøling.

kjede

Den elektriske kretsen kobler røret til kildenenergi, som kalles en generator. Kilden mottar strøm fra nettverket og konverterer vekselstrømmen til en konstant. Generatoren lar deg også justere noen parametere i kretsen:

• KV - spenning eller elektrisk potensial;
• MA er strømmen som strømmer gjennom røret;
• S - varighet eller tidspunkt for eksponering, i brøkdeler av et sekund.

Kjeden sikrer bevegelsen av elektroner. De er belastet med energi, passerer gjennom generatoren, og gir den til anoden. Når de beveger seg, er det to transformasjoner:

• potensiell elektrisk energi omdannes til kinetisk energi;
• Kinetikken blir i sin tur omdannet til røntgenstråling og varme.

potensial

Når elektroner kommer inn i kolben, har depotensiell elektrisk energi, hvorav mengden bestemmes av spenningen KV mellom anoden og katoden. Røntgenrøret fungerer under spenning, for å skape 1 KV hvorav hver partikkel skal ha 1 keV. Ved å justere KV tilordner operatøren hvert elektron en mengde energi.

Kinetikken

Lavt trykk i det evakuerte røntgenrøret (ved 15 ° C er det 10^-6-10^-7 mm Hg. Art.) tillater partiklene å fly fra katoden til anoden under virkningen av termionisk utslipp og elektrisk kraft. Denne kraften akselererer dem, noe som fører til en økning i hastighet og kinetisk energi og en reduksjon i potensiell energi. Når en partikkel treffer anoden, blir dens potensial tapt, og all sin energi går til den kinetiske energien. En 100-keV-elektron når en hastighet som overstiger halvparten av lysets hastighet. Ved å treffe overflaten minsker partiklene seg raskt og mister sin kinetiske energi. Det blir til røntgenstråler eller varme.

Elektronene kommer i kontakt med de enkelte atomer av anodmaterialet. Stråling genereres når de samhandler med orbitaler (røntgenfotoner) og med kjernen (bremsstrahlung).

Kommunikasjonsevne

Hver elektron inne i atomet harbestemt av bindingsenergien, som avhenger av størrelsen på sistnevnte og nivået hvor partikkelen er lokalisert. Bindingsenergien spiller en viktig rolle i genereringen av karakteristisk røntgenstråling og er nødvendig for å fjerne elektronen fra atomet.

bremsestråling

Bremsestråling gir den størsteantall fotoner. Elektroner som penetrerer anodematerialet og passerer nær kjernen, blir avbøyet og redusert av atomens tiltrengningskraft. Deres energi, tapt under dette møtet, vises i form av en røntgenfoton.

spekter av

Bare noen få fotoner har energien nærenergi av elektroner. De fleste av dem er lavere. Anta at det er en plass eller et felt som omgir kjernen, der elektronene opplever kraften av "inhibering". Dette feltet kan deles inn i soner. Dette gir felt av kjernen form av et mål med et atom i midten. En elektron som treffer et hvilket som helst punkt i målet gjennomgår decelerasjon og genererer en røntgenfoton. Partikler som kommer nærmest sentrum er utsatt for størst innvirkning og mister derfor mest energi, og produserer de mest høye energimikronene. Elektroner som kommer inn i ytre soner opplever svakere interaksjoner og genererer quanta med lavere energi. Selv om sonene har samme bredde, har de forskjellige områder, avhengig av avstanden til kjernen. Siden antall partikler som faller på en gitt sone, avhenger av dens totale areal, er det åpenbart at de ytre sonene fanger flere elektroner og lager flere fotoner. Ifølge denne modellen er det mulig å forutsi energispekteret av røntgenstråling.

E_max fotoner av det grunnleggende bremsstrahlungspekteret tilsvarer E_max elektroner. Under dette punktet, med en reduksjon i kvantas energi, øker antallet deres.

Et betydelig antall fotoner med lave energierabsorberes eller filtreres, da de forsøker å passere gjennom anodeoverflaten, rørvinduet eller filteret. Filtrering, som regel, avhenger av sammensetningen og tykkelsen av materialet som strålen passerer, som bestemmer den endelige formen for lav-energi-kurven i spektret.

Effekt av KV

Høy-energi delen av spekteret bestemmerspenning i røntgenrørene kV (kilovolt). Dette er fordi det bestemmer energien til elektronene som når anoden, og fotoner kan ikke ha potensial større enn dette. Under hvilken spenning fungerer røntgenrøret? Den maksimale fotonenergien tilsvarer det maksimale anvendte potensialet. Denne spenningen kan variere under eksponering på grunn av vekselstrømstrømmen. I dette tilfellet E_max foton bestemmes av toppspenningen til svingningsperioden KV_p.

I tillegg til potensialet for quanta, KV_p bestemmer mengden av stråling som produseres avav antall elektroner hendelse på anoden. Siden den totale virkningsgraden av bremsstrahlung øker på grunn av veksten av energien til bombarderende elektroner, som bestemmes av KV_p, følger det at KV_p påvirker enhetens effektivitet.

Endre KV_p, som regel, endrer spekteret. Det totale arealet under energikurven er antall fotoner. Uten et filter er spekteret en trekant, og mengden av stråling er proporsjonal med kvadratet av KV. I nærvær av et filter øker økningen i KV også penetrasjonen av fotoner, noe som reduserer prosentandelen filtrert stråling. Dette fører til en økning i strålingsutbyttet.

Karakteristisk stråling

Den typen interaksjon som produsererkarakteristisk stråling, innebærer kollisjon av høyhastighetselektroner med orbitale seg. Interaksjon kan bare skje når den innkommende partikkelen har E_til større enn bindingsenergien i atomet. Når denne tilstanden er oppfylt, og en kollisjon oppstår, blir elektronen slått ut. Dette etterlater en ledig stilling fylt med en partikkel med høyere energinivå. Når bevegelsen beveger seg, gir elektronen ut energi som utstråles i form av et røntgenkvantum. Dette kalles karakteristisk stråling, siden E-fotonet er et kjennetegn ved det kjemiske elementet som anoden er laget av. For eksempel når et elektron av K-nivået av wolfram slås ut med E_{kommunikasjon}= 69,5 keV, er ledigheten fylt med et elektron fra L-nivået med E_{kommunikasjon}= 10,2 keV. Den karakteristiske røntgenfotonen har en energi som er lik forskjellen mellom disse to nivåene, eller 59,3 keV.

Faktisk fører dette anodematerialet tilutseendet på en rekke karakteristiske energier av røntgenstråling. Dette skyldes at elektroner på ulike energinivåer (K, L, etc.) kan slås ut ved å bombe partikler, og ledige stillinger kan fylles fra forskjellige energinivåer. Selv om fyllingen av L-nivå ledige stillinger genererer fotoner, er deres energi for små til å brukes i diagnostisk bildebehandling. Hver karakteristisk energi er gitt et symbol som angir orbitalet der ledigheten har dannet, med en indeks som indikerer kilden til elektronpåfyllingen. Alfa-indeksen (α) betegner fyllingen av et elektron fra L-nivået, og beta (β) indikerer fyllingen fra nivået M eller N.

• Spekteret av wolfram. Karakteristisk stråling av dette metalletproduserer et lineært spektrum bestående av flere diskrete energier, og bremsespekteret skaper en kontinuerlig fordeling. Antallet fotoner opprettet av hver karakteristisk energi er forskjellig ved at sannsynligheten for å fylle en K-nivå ledig avhenger av orbitalet.
• Molybdenspektrum. Anoder av dette metallet brukes tilmammografi, produserer to ganske intens karakteristisk energi av røntgenstråling: K-alfa ved 17,9 keV og K-beta ved 19,5 keV. Det optimale spekteret av røntgenrør, som gjør det mulig å oppnå den beste balansen mellom kontrast og strålingsdose for en middels stor bryst, oppnås ved E_f= 20 keV. Bremsstrahlung er imidlertid produsert av store energier. I mammografiutstyr brukes et molybdenfilter for å fjerne uønskede deler av spekteret. Filteret fungerer på prinsippet om "K-kant". Den absorberer stråling som overskrider bindingsenergien av elektroner ved K-nivået av molybdenatomet.
• Rhodium spektrum Rhodium har atomnummer 45 og molybden - 42. Derfor vil rhodiumanodens karakteristiske røntgenstråler ha litt mer energi enn molybden, og mer gjennomtrengende. Det er vant til å skaffe bilder av tette bryst.

Anoder med dobbel overflate, molybden-rhodium, gjør det mulig for operatøren å velge en fordeling optimalisert for brystkjertler av forskjellige størrelser og tettheter.

Effekt av KV på spektret

KV-verdien har sterkt innflytelse på karakteristikkenstråling, siden det ikke vil bli produsert dersom KV er mindre enn K-nivåets elektronenergi. Når KV overskrider denne grensen, er mengden av stråling vanligvis proporsjonal med forskjellen KV av røret og terskelen KV.

Energispektret til fotonene til røntgenstrålen som forlater instrumentet bestemmes av flere faktorer. Som regel består den av hemmende og karakteristiske interaksjonskvanta.

Den relative sammensetningen av spektret avhenger av materialetanode, KV og filter. I et rør med en wolframanode genereres ikke den karakteristiske strålingen ved KV <69,5 keV. Ved høyere verdier av KV som brukes i diagnostiske studier, øker den karakteristiske strålingen den totale strålingen med opptil 25%. I molybden-enheter kan det utgjøre det meste av den totale generasjonen.

effektivitet

Bare en liten del av energien som leveresmed elektroner, omdannes til stråling. Hovedandelen er absorbert og omdannet til varme. Strålingseffektivitet er definert som brøkdel av den totale utstrålede energien av den totale elektriske energien som overføres til anoden. Faktorene som bestemmer effektiviteten til røntgenrøret er den påførte spenningen KV og atomnummeret Z. Det omtrentlige forholdet er som følger:

• Effektivitet = KV x Z x 10^-6.

Forholdet mellom effektivitet og KV harspesifikk effekt på den praktiske bruken av røntgenutstyr. På grunn av varmen som genereres, har rørene en viss grense på mengden elektrisk energi de kan forsvinne. Dette krever en grense for enhetens strøm. Med en økning i KV øker imidlertid mengden stråling som produseres per varmeenhet betydelig.

Avhengigheten av effektivitetRøntgengenerering fra anodesammensetningen er kun av akademisk interesse, siden de fleste enheter bruker wolfram. Unntaket er molybden og rhodium, brukt i mammografi. Effektiviteten til disse enhetene er mye lavere enn wolfram på grunn av deres lavere atomnummer.

effektivitet

Effektiviteten til røntgenrøret er bestemt avsom mengden bestråling i milli-roentgens levert til et punkt i sentrum av den anvendelige strålen i en avstand på 1 m fra brennpunktet for hver 1 mAc av elektroner som passerer gjennom anordningen. Dens verdi uttrykker apparatets evne til å konvertere energien til ladede partikler til røntgenstråler. Lar deg bestemme pasientens eksponering og øyeblikksbilde. I tillegg til effektiviteten avhenger effektiviteten av enheten av en rekke faktorer, inkludert KV, spenningsbølgeformen, anodematerialet og graden av skade på overflaten, filteret og brukstidspunktet for enheten.

KV ledelse

Spenningen KV styrer effektivt utgangsstrålingen til røntgenrøret. Som regel antas det at utgangen er proporsjonal med kvadratet til KV. Dobling KV øker eksponeringen med 4 ganger.

bølgeform

Bølgeformen beskriver måten derKV endres med tiden i prosessen med å generere stråling på grunn av strømforsyningens konjunktur. Flere forskjellige bølgeformer brukes. Det generelle prinsippet er som følger: Jo mindre KV-formen endres, desto effektivere blir røntgenstrålene produsert. I moderne utstyr brukes generatorer med relativt konstant KV.

Røntgenrør: Produsenter

Oxford Instruments Selskapet produserer ulikeenheter, inkludert glass med en kapasitet på opptil 250 W, et potensial på 4-80 kV, et fokuspunkt på opptil 10 mikrometer og et bredt spekter av anodematerialer, inkludert Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti W.

Varian tilbyr over 400 forskjellige typer.medisinske og industrielle røntgenrør. Andre kjente produsenter er Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, etc.

Røntgenrør produseres i Russland"Svetlana-Roentgen". I tillegg til tradisjonelle enheter med roterende og stasjonær anode produserer selskapet enheter med kaldkatode, styrt av lysstrømmen. Fordelene ved enheten er som følger:

• arbeid i kontinuerlige og pulsmodus;
• fravær av treghet;
• LED-intensitetskontroll;
• renhet av spekteret;
• muligheten for å skaffe røntgenstråling av varierende intensitet.
</ ul </ p>