Kaip rentgeno vamzdžiuose dirbti?

Rentgeno spinduliuotė yra sukurta konvertuojant elektronų energiją į fotonus, kurie atsiranda rentgeno vamzdyje. Spinduliavimo kiekį (ekspoziciją) ir kokybę (spektrą) galima reguliuoti keičiant prietaiso srovę, įtampą ir veikimo laiką.

Veiklos principas

Rentgeno spinduliai (straipsnyje pateikta nuotrauka) yra energijos keitikliai. Jie gauna jį iš tinklo ir paverčia kitomis formomis - skleidžia spinduliavimą ir šilumą, o pastarasis yra nepageidaujamas šalutinis produktas. Rentgeno spindulių vamzdžių įtaisas yra toks, kad maksimaliai padidina fotonų gamybą ir kuo greičiau išsklaido šilumą.

Vamzdelis yra palyginti paprastas prietaisas, paprastai turintis dviejų pagrindinių elementų - katodo ir anodo. Kai srovė teka nuo katodo iki anodo, elektronai praranda energiją, dėl ko susidaro rentgeno spinduliai.

Anodas

Anodas yra komponentas, kuriame išsiskiria didelės energijos fotonai. Tai yra gana didelis metalo elementas, jungiantis prie teigiamo elektros grandinės poliaus. Ji atlieka dvi pagrindines funkcijas:

• Paverčia elektronų energiją į rentgeno spindulius,
• Skleidžia šilumą.

Anodo medžiaga parenkama siekiant tobulinti šias funkcijas.

Idealiu atveju, dauguma elektronų turėtų formuoti didelės energijos fotonus, o ne šilumą. Bendroji jų energijos dalis, kuri paverčiama rentgeno spinduliuote (EFEKTYVUMAS), priklauso nuo dviejų veiksnių:

• Anodinės medžiagos atominis skaičius (Z),
• Elektronų energija.

Daugumoje rentgeno vamzdžių kaip anodo medžiaga naudojamas volframas, kurio atominis skaičius yra 74. Be didelio Z, šis metalas turi ir kitų savybių, kurios tam tikslui tinka. Volframas yra unikalus savo gebėjimo išlaikyti stiprumą, kai šildomas, turi aukštą lydymosi temperatūrą ir mažą garų kiekį.

Jau daugelį metų anodas pagamintas iš gryno volframo. Pastaraisiais metais buvo naudojamas šio metalo lydinys su rheniumu, bet tik ant paviršiaus. Pats anodas pagal volframo-renio dangą pagamintas iš lengvos medžiagos, kuri puikiai kaupia šilumą. Dvi tokios medžiagos yra molibdenas ir grafitas.

Mamografijos metu naudojami rentgeno vamzdžiai pagaminti molibdeno padengtu anodu. Ši medžiaga turi tarpinį atominį skaičių (Z = 42), kuris generuoja būdingus fotonus su energijomis, kurios yra tinkamos krūtinės šaudymui. Kai kurioms mamografijos priemonėms taip pat yra anodas, pagamintas iš rodžio (Z = 45). Tai leidžia jums padidinti energiją ir pasiekti didesnį skverbtį į tankią krūtinę.

Renio volframo lydinio naudojimas pagerina ilgalaikę spinduliuotę. Laikui bėgant prietaisas su gryno volframo anodu mažėja dėl terminio paviršiaus pažeidimo.

Dauguma anodų yra nukirptų diskų formos ir yra pritvirtinti prie elektros variklio veleno, kuris sukasi per dideliu greičiu per rentgeno spindulių. Sukimosi tikslas - pašalinti šilumą.

Focal spot

Rizikos generavime dalyvauja ne visa anoda. Tai atsiranda mažoje jo paviršiaus plotmėje - židinio vietoje. Pastarųjų matmenis lemia elektrono spinduliuotės, gaunamos iš katodo, matmenys. Daugumoje prietaisų ji yra stačiakampio formos ir svyruoja nuo 0,1 iki 2 mm.

Rentgeno spindulių vamzdžiai projektuojami su tam tikru centru. Kuo mažesnis, tuo mažiau įsimenamas ir didesnis vaizdo aiškumas, tuo daugiau jis yra, tuo geriau šiluma pašalinama.

Židinio nuotolio dydis yra vienas iš veiksnių, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis rentgeno spindulius. Gamintojai gamina įtaisus su mažomis židinio dėmėmis, kai reikia pasiekti didelės skiriamosios gebos ir pakankamai mažą spinduliavimą. Pavyzdžiui, jis reikalingas mažų ir plonų kūno dalių tyrimui, kaip ir mamografijoje.

Rentgeno spindulių vamzdžiai gaminami daugiausia su dviem dydžiais - dideliais ir mažais židinio taškais, kuriuos operatorius gali parinkti pagal vaizdo formavimo procedūrą.

Katodas

Pagrindinė katodo funkcija - generuoti elektronus ir surinkti juos ant sijos, nukreiptos į anodu. Paprastai jis susideda iš nedidelės vielos spiralės (gijų), panardintas į puodelio formos depresiją.

Elektronai, praeinantys grandinę, paprastai negali palikti laidininko ir eiti į laisvą erdvę. Tačiau jie gali tai padaryti, jei gauna pakankamai energijos. Procese, vadinamu thermionic emisija, šiluma naudojama elektronų išmetimui iš katodo. Tai tampa įmanoma, kai slėgis evakuojamame rentgeno vamzdyje siekia 10 ^-6 -10 ^-7 mm Hg. Art. Apšvietimas kaitinamas taip pat, kaip kaitinamosios lempos siūleliai, kai srovė plinta per jį. Rentgeno vamzdžio darbas lydi katodo šildymą į liuminescencijos temperatūrą, kai kai kurie elektronai pakeičiami šilumos energija.

Cilindras

Anodas ir katodas yra uždarytoje korpuse. Balioną ir jo turinį dažnai vadina įterpta, kurios trukmė yra ribota ir gali būti pakeista. Rentgeno spindulių vamzdeliuose daugiausia yra stiklinių lempučių, nors kai kuriuose įrenginiuose naudojami metaliniai ir keraminiai cilindrai.

Pagrindinė cilindro funkcija yra anodo ir katodo parama ir izoliacija bei vakuumo palaikymas. Ištuštinto rentgeno vamzdžio slėgis 15 ° C temperatūroje yra 1,2 · 10 ^-3 Pa. Dujų buvimas cilindre leistų elektros energijai laisvai judėti per prietaisą, o ne tik elektronų pluošto pavidalu.

Būstas

Rentgeno spindulių vamzdžio įtaisas yra toks, kad, be tvoros ir kitų komponentų tvirtinimo, jo korpusas tarnauja kaip skydas ir sugeria spinduliavimą, išskyrus naudingą šviesą, einančią per langą. Jo santykinai didelis išorinis paviršius išsklaido didelę šilumos dalį, susidariusią prietaiso viduje. Tarpas tarp korpuso ir įdėklu užpildomas aliejumi, suteikiant izoliaciją ir jos aušinimą.

Grandine

Elektros grandinė sujungia vamzdį su energijos šaltiniu, kuris vadinamas generatoriumi. Šaltinis gauna maitinimą iš tinklo ir paverčia kintamąja srove nuolatine. Generatorius taip pat leidžia jums keisti kai kuriuos grandinės parametrus:

• KV - įtampos ar elektros potencialas;
• MA - srovė, tekanti per vamzdį;
• S - poveikio trukmė arba laikas, sekundės dalimis.

Grandinė užtikrina elektronų judėjimą. Jie įkraunami energija, praeina per generatorių ir suteikia anodui. Kai jie persikelia, yra du transformacijos:

• Galima elektros energija paverčiama kinetine energija;
• Kinetika savo ruožtu paverčiama rentgeno spinduliuote ir šiluma.

Potencialas

Kai elektronai patenka į kolbą, jie turi potencialią elektros energiją, kurios dydį nustato KV įtampa tarp anodo ir katodo. Rentgeno vamzdelis veikia esant įtampa, kad sukurtumėte 1 KV, iš kurių kiekviena dalelė turėtų turėti 1 keV. Reguliuodamas KV, operatorius priskiria kiekvienam elektronui energijos kiekį.

Kinetika

Žemas slėgis evakuojamame rentgeno vamzdyje (esant 15 ° C temperatūrai yra 10 ^-6 -10 ^-7 mm Hg) leidžia dalelėms patekti iš katodo į anodą, veikiant termoizoliacine ir elektrine jėga. Ši jėga jas pagreitina, dėl ko didėja greitis ir kinetinė energija bei sumažėja potenciali energija. Kai dalelė nukelia anode, jos potencialas prarandamas, o visa jo energija pereina į kinetinę energiją. 100-keV elektronas pasiekia greitį, viršijantį pusę šviesos greičio. Pavargę paviršius labai greitai sulėtina daleles ir praranda kinetinę energiją. Tai virsta rentgeno spinduliais arba šiluma.

Elektronai susiduria su atskirais anodinės medžiagos atomais. Spinduliavimas generuojamas, kai jie sąveikauja su orbitiniais (rentgeno fotonais) ir su branduoliu (stabdžių suspaudimu).

Ryšio galia

Kiekvienas atomo viduje esantis elektronas turi tam tikrą įpareigojančią energiją, kuri priklauso nuo pastarojo dydžio ir lygio, kuriame yra dalelė. Ryšio energija atlieka svarbų vaidmenį generuojant charakteringą rentgeno spinduliavimą ir yra būtina elektronui pašalinti iš atomo.

Bremsstrahlung

Stabdžių spinduliavimas gamina daugiausia fotonų. Elektronai, prasiskverbianti anodo medžiagoje ir einant šalia branduolio, nukreipiami ir sulėtina atomo traukos jėga. Jų energija, prarasta per šį susitikimą, pasirodo rentgeno fotonų forma.

Spektras

Tik keli fotonai turi energiją, artimą elektronų energijai. Dauguma jų yra mažesnės. Tarkime, kad yra erdvė ar laukas, supantis branduolį, kuriame elektronai patiria "slopinimo" jėgą. Šią sritį galima suskirstyti į zonas. Tai suteikia branduolio lauką tikslą su centro atomu. Elektronas, kuris nukelia bet kurį tašką tikslui, lėtėja ir generuoja rentgeno fotoną. Centre esančios dalelės susiduria su didžiausiu poveikiu ir todėl praranda daugiausia energijos, gaminančios labiausiai aukštos energijos fotonus. Elektronai, patenkantys į išorines zonas, patiria silpnesnę sąveiką ir generuoja mažesnės energijos kvantus. Nors zonos yra tokios pačios pločio, jos turi skirtingas sritis, priklausomai nuo atstumo iki šerdies. Kadangi dalelių, patenkančių į tam tikrą zoną, skaičius priklauso nuo jo bendro ploto, akivaizdu, kad išorinės zonos užfiksuoja daugiau elektronų ir sukuria daugiau fotonų. Pagal šį modelį galima prognozuoti rentgeno spindulių energijos spektrą.

Emax iš pagrindinio spinduliuojančiojo spinduliuotės fotonų atitinka Emax elektronų. Žemiau šio taško, sumažinus kvantų energiją, jų skaičius didėja.

Daugybė fotonų, kurių energija yra maža, absorbuojamos arba filtruojamos, nes jie bando praeiti pro anodinį paviršių, vamzdžio langelį arba filtrą. Paprastai filtravimas priklauso nuo medžiagos, per kurią spinduliuoja pluoštas, sudėties ir storio, o tai lemia galutinę mažos energijos kreivės spektro formą.

KV įtaka

Didelės energijos spektro dalis lemia įtampą rentgeno vamzdžiuose kV (kilovolt). Taip yra todėl, kad jis nustato elektronų, pasiekiančių anodu, energiją, ir fotonai negali turėti didesnio potencialo nei šis. Pagal kokią įtampą veikia rentgeno vamzdelis? Didžiausia fotonų energija atitinka didžiausią panaudotą potencialą. Dėl įtampos kintamosios srovės įtampos gali skirtis. Šiuo atveju fotono E _max nustatomas pagal svyravimo periodo maksimalų įtampą KV _p .

Be kvantų potencialo, KV _p nustato spinduliuotės kiekį, kurį sukelia tam tikras skaičius elektronų, patenkančių į anodu. Kadangi bendras stabdžių veiksmingumas didėja dėl bombarduojančių elektronų energijos augimo, kurį lemia KV _p , tai reiškia, kad KV _p veikia įrenginio efektyvumą.

KV pasikeitimas paprastai pakeičia spektrą. Bendras plotas pagal energijos kreivę yra fotonų skaičius. Be filtro, spektras yra trikampis, o radiacijos kiekis yra proporcingas KV kvadratui. Priklausomai nuo filtro, KV padidėjimas taip pat padidina fotonų įsiskverbimą, kuris sumažina filtruotos spinduliuotės procentą. Dėl to spinduliuotės išeiga padidėja.

Būdinga spinduliuotė

Sąveikos tipas, generuojantis charakteringą spinduliuotę, susijęs su greitųjų elektronų su orbitiniais susidūrimais. Sąveika gali atsirasti tik tada, kai gaunama dalelė turi E didesnę nei prijungimo energija atomai. Kai tenkinama ši sąlyga ir susidaro susidūrimas, elektronas išjudinamas. Tai palieka laisvą darbo vietą, užpildytą didesnės energijos lygmens dalelėmis. Judant judesiui, elektronas išsklaido energiją, kuri spinduliuoja rentgeno kvantą. Tai vadinama tipine spinduliuote, nes E fotonas yra cheminio elemento, iš kurio pagaminamas anodas, charakteristika. Pavyzdžiui, kai elektrolitinis volframo K lygis yra išstumtas su E _jungtimis = 69,5 keV, laisvasis tūris užpildomas elektronu iš L lygio, o E _jungtys = 10,2 keV. Charakteristikos rentgeno fotonui yra lygi šių dviejų lygių arba 59,3 keV skirtumui.

Tiesą sakant, ši anodo medžiaga lemia tam tikrų charakteringų rentgeno energijos atsiradimą. Taip yra todėl, kad skirtinguose energijos lygiuose esančius elektronus (K, L ir t. T.) Galima nugalėti bombarduojant daleles, o laisvas darbo vietas galima užpildyti iš skirtingų energijos lygių. Nepaisant to, kad L-lygio laisvų darbo vietų užpildymas generuoja fotonus, jų energija yra per maža, kad būtų galima naudoti diagnostikos vaizdavimui. Kiekvienai charakteringai energijai suteikiamas pavadinimas, nurodantis orbitalį, kuriame susidarė laisva vieta, ir indeksas, nurodantis elektronų užpildymo šaltinį. Alfa indeksas (α) rodo elektrono užpildymą iš L lygio, o beta (β) rodo užpildą iš M arba N lygio.

• Volframo spektras. Šio metalo būdingoji spinduliuotė sukuria linijinį spektrą, susidedantį iš kelių diskrečių energijos, o stabdžių spinduliavimas sukuria nuolatinį pasiskirstymą. Kiekvienos charakteringos energijos sukurtų fotonų skaičius skiriasi tuo, kad K-lygio laisvos vietos užpildymo tikimybė priklauso nuo orbitos.
• Molibdeno spektras. Šio metalo, naudojamo mamografijai, anodai du gana stipriai būdingas rentgeno energijas: K-alfa 17,9 keV ir K-beta 19,5 keV. Optimalus rentgeno spindulių vamzdžių spektras, leidžiantis pasiekti geriausią pusiausvyrą tarp kontrasto ir spinduliuotės dozės vidutinio dydžio krūtinėje, pasiekiamas _Ef = 20 keV. Tačiau stabdžių spinduliuotė yra didelė energija. Mamografijos įrangoje norint pašalinti nepageidaujamą spektro dalį naudojamas molibdeno filtras. Filtras veikia "K-krašto" principu. Jis sugeria spinduliuotę, viršijančią elektronų susirišimo energiją molibdeno atomo K lygiu.
• Rodžio spektras. Rodis turi atominį skaičių 45, o molibdeno - 42. Todėl rodio anodo rentgeno spinduliuotės charakteristika turės šiek tiek didesnę energijos nei molibdeno energija ir bus labiau įsiskverbusi. Tai naudojama, norint gauti vaizdus apie tankias krūtines.

Anodai su dvigubais paviršiaus plotais, molibdeno ir rodžio, leidžia operatoriui pasirinkti optimaliai paskirstytą pieno liaukoms, kurių dydis ir tankis yra skirtingi.

KV įtaka spektrui

KV reikšmė stipriai veikia charakteringą spinduliavimą, nes ji nebus gaminama, jei KV yra mažesnė už K lygmens elektronų energiją. Kai KV viršija šią ribą, radiacijos kiekis paprastai yra proporcingas skirtumui tarp KV vamzdžio ir KV ribos.

Iš prietaiso išskiriamų rentgeno fotonų energijos spektrą lemia keletas veiksnių. Paprastai jis susideda iš stabdymo ir charakteringos sąveikos kvantų.

Santykinis sudėtis spektro priklauso nuo anodo medžiagos, KV ir filtru. Vamzdžio su volframo anodo emisijos charakteristikos nesudaroma KV <69,5 keV. Aukštosiose vertybių HF naudojamų diagnostinių tyrimų, būdingas radiacija padidina visuminę spinduliuotės iki 25%. Molibdeno prietaisai gali pasiekti didelį dalį visų gamybos pajėgumų.

efektyvumas

Tik maža dalis pristatyto elektronų energija konvertuojama į spinduliuotės. Pagrindinis frakcija yra absorbuojamas ir paverčiamas į šilumą. spinduliuotės efektyvumas yra apibrėžiamas kaip viso frakcija spinduliuotės galia nuo bendro elektros įskiepyta anodo. Veiksniai, kurie apibrėžia Rentgeno spindulių vamzdžio efektyvumą yra taikomas įtampos kV ir atominis skaičius Z. apytikslis santykis iš šių charakteristikų:

• Efektyvumas = xz K. x 10 ^-6.

Tarp efektyvumo ir KV santykiai turi tam tikrą poveikį praktiniam naudojimui rentgeno įrangą. Dėl šilumos gamybos mėgintuvėlio turi ribą dėl elektros energijos, kad jie gali išsklaidyti skaičių. Ji nustato prietaiso riba talpos. Didėjant KV, tačiau radiacijos kiekis, pagamintas vienos šilumos žymiai padidina.

Iš X-ray gamybos efektyvumas dėl anodo sudėties priklausomybė yra tik akademinių interesų, nes dauguma prietaisai naudojami volframo. Išimtis yra molibdeno ir rodis, naudojamas mamogramą. Efektyvumas iš šių prietaisų yra žymiai mažesnis už volframo dėl jų mažesnio atominį skaičių.

veiksmingumas

Efektyvumas Rentgeno spindulių vamzdžiai, yra apibrėžiamas kaip švitinimo suma millirentgenah pristatyto iki taško, atsižvelgiant į naudingą sijos centrą, esant 1 m atstumu nuo židinio vietoje kiekvienam 1 Metropolinėse elektronų, einančių per prietaiso. Jo vertė yra prietaiso gebėjimas konvertuoti į dalelės energijos rentgeno spindulių. Tai leidžia jums nustatyti paciento ekspoziciją, ir fotografiją. Kaip efektyvumas, efektyvumas prietaiso priklauso nuo kelių veiksnių, įskaitant kV įtampos bangos forma, anodo medžiagos ir paviršiaus sugadinimo filtro įrenginį laipsnį ir naudojimo metu.

KV-valdymas

Įtampos K. Rentgeno spindulių vamzdžiai, veiksmingai kontroliuoja išėjimo spinduliuotės. Kaip taisyklė, tai yra laikoma, kad produkcija yra proporcingas KV aikštėje. Padvigubinti KV ekspoziciją padidina 4 kartus.

signalo

Signalo aprašomas metodas, kuriuo K. priklauso kuriuo metu radiacijos kartos dėl ciklinio pobūdžio galios. Naudotų keletas skirtingų signalų. Bendras principas yra: kuo mažesnis tokios formos, KV kaita, kurios Rentgeno spinduliuotės spinduliuotė yra veiksmingai gaminama. Modernus įranga, naudojama generatoriai santykinai pastovus KV.

Rentgeno vamzdžiai: Gamintojai

Oksfordo instrumentai Įmonė gamina įvairius įrenginius, įskaitant stiklo, galia 250 W, 4-80 kV potencialą, židinio vietoje 10 mikronų ir platų anodo medžiagų, t. H. AG, AS, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, pd, Rh, Ti, W.

Varianas siūlo daugiau nei 400 skirtingų tipų medicinos ir pramonės rentgeno vamzdžiuose. Kiti žinomi gamintojai yra Dunlee GE, "Philips", Shimadzu, "Siemens", "Toshiba", IAE, Hangdžou Wandong, Kailong et al.,

Rusijoje gaminami rentgeno vamzdelius "Svetlana-rentgenas". Be tradicinių įrenginių su besisukančiu ir stacionarių anodo įmonė gamina prietaisus šaltojo katodo šviesos srauto kontroliuojama. Privalumai šių įrenginių:

• dirbti nepertraukiamai ir pulso režimai;
• nebuvimas inercijos;
• reguliuojant LED srovė intensyvumą;
• spektras grynumas;
• iš rentgeno spinduliuotei įvairaus intensyvumo galimybė.