Напряжение на рентгеновской трубке

Как работают рентгеновские трубки?

Рентгеновское излучение создается путем преобразования энергии электронов в фотоны, которое происходит в рентгеновской трубке. Количество (экспозицию) и качество (спектр) излучения можно регулировать путем изменения тока, напряжения и времени работы прибора.

Принцип работы

Рентгеновские трубки (фото приведено в статье) являются преобразователями энергии. Они получают ее из сети и превращают в другие формы – проникающее излучение и тепло, при этом последнее является нежелательным побочным продуктом. Устройство рентгеновской трубки таково, что она максимизирует производство фотонов и рассеивает тепло так быстро, насколько это возможно.

Трубка представляет собой относительно простой прибор, как правило, содержащий два принципиальных элемента – катод и анод. Когда ток течет от катода к аноду, электроны теряют энергию, что приводит к генерации рентгеновского излучения.

рентгеновские трубки

Анод

Анод является компонентом, в котором производится испускание высокоэнергетических фотонов. Это сравнительно массивный элемент из металла, который соединяется с положительным полюсом электрической цепи. Выполняет две основные функции:

  • преобразует энергию электронов в рентгеновское излучение,
  • рассеивает тепло.

Материал для анода выбирается так, чтобы усилить эти функции.

В идеале большинство электронов должно образовывать высокоэнергетические фотоны, а не тепло. Доля их полной энергии, которая превращается в рентгеновское излучение, (КПД) зависит от двух факторов:

  • атомного номера (Z) анодного материала,
  • энергии электронов.

В большинстве рентгеновских трубок в качестве материала анода используется вольфрам, атомный номер которого равен 74. В дополнение к большому Z, этот металл обладает некоторыми другими характеристиками, которые делают его подходящими для этой цели. Вольфрам уникален по своей способности сохранять прочность при нагревании, имеет высокую температуру плавления и низкую скорость испарения.

В течение многих лет анод делали из чистого вольфрама. В последние годы начали использовать сплав этого металла с рением, но лишь на поверхности. Сам анод под вольфрам-рениевым покрытием изготовляется ​​из легкого материала, хорошо аккумулирующего тепло. Двумя такими веществами являются молибден и графит.

Рентгеновские трубки, используемые для маммографии, изготавливают с анодом, покрытым молибденом. Этот материал имеет промежуточный атомный номер (Z=42), который генерирует характеристические фотоны с энергиями, удобными для съемки груди. Некоторые приборы для маммографии также имеют второй анод, выполненный из родия (Z=45). Это позволяет повысить энергию и добиться большего проникновения для плотной груди.

Использование рений-вольфрамового сплава улучшает долгосрочный выход излучения – со временем эффективность устройств с анодом из чистого вольфрама уменьшается вследствие термического повреждения поверхности.

Большинство анодов имеет ​​форму скошенных дисков и крепится к валу электродвигателя, который вращает их на относительно высоких скоростях во время испускания рентгеновских лучей. Цель вращения – отвод тепла.

устройство рентгеновской трубки

Фокальное пятно

В генерации рентгеновского излучения участвует не весь анод. Оно возникает на небольшом участке его поверхности – фокальном пятне. Размеры последнего определяются размерами электронного пучка, поступающего из катода. В большинстве устройств оно имеет прямоугольную форму и варьируется в пределах 0,1–2 мм.

Рентгеновские трубки проектируют с определенным размером фокального пятна. Чем оно меньше, тем меньше размытость и выше четкость изображения, и чем оно больше, тем лучше отводится тепло.

Размер фокусного пятна является одним из факторов, который необходимо учитывать, когда выбирают рентгеновские трубки. Производители выпускают приборы с малыми фокальными пятнами, когда необходимо достичь высокой разрешающей способности и достаточно небольшой радиации. Например, это требуется при исследовании малых и тонких частей тела, как в маммографии.

Рентгеновские трубки в основном производят с фокусными пятнами двух размеров – большим и малым, которые могут быть выбраны оператором в соответствии с процедурой формирования изображения.

Катод

Основная функция катода – генерировать электроны и собирать их в луч, направленный на анод. Как правило, он состоит из небольшой проволочной спирали (нити), погруженной в чашеобразное углубление.

Электроны, проходящие по цепи, обычно не могут покинуть проводник и уйти в свободное пространство. Однако они могут это сделать, если получат достаточное количество энергии. В процессе, известном как термоэмиссия, для изгнания электронов из катода используется тепло. Это становится возможным, когда давление в откачанной рентгеновской трубке достигает 10 -6 –10 -7 мм рт. ст. Нить нагревается таким же образом, как спираль лампы накаливания при пропускании через нее тока. Работа рентгеновской трубки сопровождается нагревом катода до температуры свечения с вытеснением тепловой энергией из него части электронов.

рентгеновские трубки фото

Баллон

Анод и катод содержатся в герметичном корпусе – баллоне. Баллон и его содержимое часто называют вставкой, которая имеет ограниченный срок службы и может заменяться. Рентгеновские трубки в основном имеют стеклянные колбы, хотя для некоторых применений используются металлические и керамические баллоны.

Основной функцией баллона является обеспечение поддержки и изоляция анода и катода, и поддержание вакуума. Давление в откачанной рентгеновской трубке при 15°C составляет 1,2·10 -3 Па. Наличие газов в баллоне позволило бы электричеству течь через прибор свободно, а не только в виде электронного пучка.

Корпус

Устройство рентгеновской трубки таково, что, в дополнение к ограждению и поддержке других компонентов, ее корпус служит щитом и поглощает излучение, за исключением проходящего через окно полезного пучка. Его относительно большая внешняя поверхность рассеивает большую часть тепла, образуемого внутри устройства. Пространство между корпусом и вставкой заполнено маслом, обеспечивающим изоляцию и ее охлаждение.

Цепь

Электрическая цепь соединяет трубку с источником энергии, который называется генератором. Источник получает питание от сети и преобразует переменный ток в постоянный. Генератор также позволяет регулировать некоторые параметры цепи:

  • KV – напряжение или электрический потенциал;
  • MA – ток, который течет через трубку;
  • S – длительность или время экспозиции, в долях секунды.

Цепь обеспечивает движение электронов. Они заряжаются энергией, проходя через генератор, и отдают ее аноду. По мере их движения происходит два преобразования:

  • потенциальная электрическая энергия превращается в кинетическую;
  • кинетическая, в свою очередь, преобразуется в рентгеновское излучение и тепло.

Потенциал

Когда электроны поступают в колбу, они обладают потенциальной электрической энергией, количество которой определяется напряжением KV между анодом и катодом. Рентгеновская трубка работает под напряжением, для создания 1 KV которого каждая частица должна обладать 1 кэВ. Регулируя KV, оператор наделяет каждый электрон определенным количеством энергии.

спектр рентгеновских трубок

Кинетика

Низкое давление в откачанной рентгеновской трубке (при 15°C оно составляет 10 -6 –10 -7 мм рт. ст.) позволяет частицам под действием термоэлектронной эмиссии и электрической силы вылетать из катода к аноду. Эта сила ускоряет их, что приводит к увеличению скорости и кинетической энергии и убыванию потенциальной. Когда частица попадает на анод, ее потенциал теряется, и вся ее энергия переходит в кинетическую. 100-кэВ электрон достигает скорости, превышающей половины скорости света. Ударяясь о поверхность, частицы очень быстро замедляются и теряют свою кинетическую энергию. Она превращается в рентгеновское излучение или тепло.

Электроны вступают в контакт с отдельными атомами материала анода. Излучение генерируется при их взаимодействии с орбиталями (рентгеновские фотоны) и с ядром (тормозное излучение).

Энергия связи

Каждый электрон внутри атома обладает определенной энергией связи, которая зависит от размера последнего и уровня, на котором находится частица. Энергия связи играет важную роль в генерации характеристического рентгеновского излучения и необходима для удаления электрона из атома.

Тормозное излучение

Тормозное излучение производит наибольшее количество фотонов. Электроны, проникающие в материал анода и проходящие вблизи ядра, отклоняются и замедляются силой притяжения атома. Их энергия, теряемая во время этой встречи, появляется в виде рентгеновского фотона.

Спектр

Лишь немногие фотоны обладают энергией, близкой к энергии электронов. У большинства из них она ниже. Предположим, что существует пространство, или поле, окружающее ядро, в котором электроны испытывают силу «торможения». Это поле может быть разделено на зоны. Это дает полю ядра вид мишени с атомом в центре. Электрон, попадающий в любую точку мишени, испытывает торможение и генерирует рентгеновский фотон. Частицы, попадающие ближе всего к центру, подвергаются наибольшему воздействию и, следовательно, теряют больше всего энергии, производя самые высокоэнергичные фотоны. Электроны, попадающие во внешние зоны, испытывают более слабые взаимодействия и генерируют кванты с более низкой энергией. Хотя зоны имеют одинаковую ширину, что они имеют разную площадь, зависящую от расстояния до ядра. Так как число частиц, попадающих на данную зону, зависит от ее общей площади, то очевидно, что внешние зоны захватывают больше электронов и создают больше фотонов. По этой модели можно предсказать энергетический спектр рентгеновского излучения.

Emax фотонов основного спектра тормозного излучения соответствует Emax электронов. Ниже этой точки, с уменьшением энергии квантов их число растет.

Значительное число фотонов с малыми энергиями поглощается или фильтруется, поскольку они пытаются пройти через поверхность анода, окно трубки или фильтр. Фильтрация, как правило, зависит от состава и толщины материала, через который проходит луч, что и определяет конечный вид низкоэнергетической кривой спектра.

рентгеновская трубка работает под напряжением

Влияние KV

Высокоэнергетическую часть спектра определяет напряжение в рентгеновских трубках kV (киловольт). Это происходит потому, что оно обусловливает энергию электронов, достигающих анода, а фотоны не могут обладать потенциалом, большим чем этот. Под каким напряжением работает рентгеновская трубка? Максимальная энергия фотона соответствует максимальному приложенному потенциалу. Это напряжение может изменяться во время экспозиции из-за переменного тока сети. В этом случае Emax фотона определяется пиковым напряжением периода колебаний KVp.

Кроме потенциала квантов, KVp определяет количество радиации, создаваемой данным числом электронов, попадающих на анод. Так как общая эффективность тормозного излучения увеличивается за счет роста энергии бомбардирующих электронов, которая определяется KVp, то отсюда следует, что KVp влияет на КПД прибора.

Изменение KVp, как правило, изменяет спектр. Общая площадь под кривой энергий представляет собой число фотонов. Без фильтра спектр представляет собой треугольник, а количество радиации пропорционально квадрату KV. При наличии фильтра увеличение KV также увеличивает проникновение фотонов, что снижает процент фильтруемого излучения. Это ведет к увеличению радиационного выхода.

Характеристическое излучение

Тип взаимодействия, который производит характеристическое излучение, включает столкновение высокоскоростных электронов с орбитальными. Взаимодействие может происходить только тогда, когда входящая частица обладает Ек большей, чем энергия связи в атоме. Когда это условие соблюдено, и происходит столкновение, электрон выбивается. При этом остается вакансия, заполняемая частицей более высокого энергетического уровня. По мере движения электрон отдает энергию, излучаемую в виде рентгеновского кванта. Это называется характеристическим излучением, так как E фотона является характеристикой химического элемента, из которого сделан анод. Например, когда выбивается электрон К-уровня вольфрама с Есвязи=69,5 кэВ, вакансия заполняется электроном из L-уровня с Eсвязи=10,2 кэВ. Характеристический рентгеновский фотон обладает энергией, равной разности между этими двумя уровнями, или 59,3 кэВ.

На самом деле, данный материал анода приводит к появлению ряда характеристических энергий рентгеновского излучения. Это происходит потому, что электроны на различных энергетических уровнях (K, L и т.д.) могут быть выбиты бомбардирующими частицами, а вакансии могут быть заполнены из различных энергетических уровней. Несмотря на то что заполнение вакансий L-уровня генерирует фотоны, их энергии слишком малы для использования в диагностической визуализации. Каждой характеристической энергии дается обозначение, которое указывает на орбиталь, в которой образовалась вакансия, с индексом, который показывает источник заполнения электрона. Индекс альфа (α) обозначает заполнение электрона из L-уровня, а бета (β) указывает на заполнение из уровня М или N.

  • Спектр вольфрама. Характеристическое излучение этого металла производит линейный спектр, состоящий из нескольких дискретных энергий, а тормозное создает непрерывное распределение. Число фотонов, созданных каждой характеристической энергией, отличается тем, что вероятность заполнения вакансии K-уровня зависит от орбитали.
  • Спектр молибдена. Аноды из данного металла, используемые для маммографии, производят две достаточно интенсивные характеристические энергии рентгеновского излучения: K-альфа при 17,9 кэВ, и K-бета при 19,5 кэВ. Оптимальный спектр рентгеновских трубок, позволяющий достичь наилучший баланс между контрастностью и дозой облучения для груди среднего размера, достигается при Еф=20 кэВ. Однако тормозное излучение производится большими энергиями. В оборудовании для маммографии для удаления нежелательной части спектра используется молибденовый фильтр. Фильтр работает по принципу «K-края». Он поглощает излучение, превышающее энергию связи электронов на К-уровне атома молибдена.
  • Спектр родия. Родий имеет атомный номер 45, а молибден – 42. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение родиевого анода будет иметь немного большую энергию, чем у молибдена, и более проникающую. Это используется для получения изображений плотной груди.

Аноды с двойными участками поверхности, молибден-родиевыми, дают возможность оператору выбрать распределение, оптимизированное под молочные железы разного размера и плотности.

под каким напряжением работает рентгеновская трубка

Влияние KV на спектр

Значение KV сильно влияет на характеристическое излучение, т. к. оно не будет производиться, если KV меньше энергии электронов K-уровня. Когда KV превышает это пороговое значение, количество излучения, как правило, пропорционально разности KV трубки и порогового KV.

Спектр энергий фотонов рентгеновского луча, выходящего из прибора, определяется несколькими факторами. Как правило, он состоит из квантов тормозного и характеристического взаимодействия.

КПД

Лишь небольшая часть энергии, доставляемая электронами, преобразуется в радиацию. Основная доля поглощается и превращается в тепло. КПД излучения определяется как доля полной излучаемой энергии от общей электрической, сообщаемой аноду. Факторами, которые определяют КПД рентгеновской трубки, являются приложенное напряжение KV и атомный номер Z. Примерное отношение следующее:

  • КПД = KV х Z х 10 -6 .

Взаимосвязь между эффективностью и KV оказывает специфическое влияние на практическое использование рентгеновского оборудования. Из-за выделения тепла трубки имеют определенный предел по количеству электрической энергии, которую они могут рассеивать. Это накладывает ограничение на мощность прибора. С увеличением KV, однако, количество радиации, произведенное на единицу тепла, значительно увеличивается.

Зависимость коэффициента полезного действия генерации рентгеновского излучения от состава анода представляет лишь академический интерес, поскольку в большинстве устройств используется вольфрам. Исключением является молибден и родий, используемые в маммографии. КПД этих приборов значительно ниже вольфрамовых из-за их более низкого атомного номера.

давление в откачанной рентгеновской трубке

Эффективность

Эффективность рентгеновской трубки определяется как количество облучения в миллирентгенах, доставленного в точку в центре полезного пучка на расстоянии 1 м от фокусного пятна на каждый 1 мАс электронов, проходящих через прибор. Ее значение выражает способность прибора преобразовывать энергию заряженных частиц в рентгеновское излучение. Позволяет определить экспозицию пациента и снимка. Как и КПД, эффективность устройства зависит от ряда факторов, в том числе KV, формы волны напряжения, материала анода и степени повреждения его поверхности, фильтра и времени использования прибора.

KV-управление

Напряжение KV эффективно управляет выходным излучением рентгеновской трубки. Как правило, предполагается, что выход пропорционален квадрату KV. Удвоение KV увеличивает экспозицию в 4 раза.

Форма волны

Форма волны описывает способ, с помощью которого KV изменяется со временем в процессе генерации радиации из-за циклической природы электропитания. Используется несколько различных форм волн. Общий принцип таков: чем меньше изменяется форма KV, тем эффективнее производится рентгеновское излучение. В современном оборудовании используют генераторы с относительно постоянным KV.

Рентгеновские трубки: производители

Компания Oxford Instruments выпускает различные устройства, включая стеклянные мощностью до 250 Вт, потенциалом 4–80 кВ, фокальным пятном до 10 микрон и широким диапазоном материалов анода, в т. ч. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian предлагает более 400 различных типов медицинских и промышленных рентгеновских трубок. Другими известными производителями являются Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong и др.

В России выпускаются рентгеновские трубки «Светлана-Рентген». Помимо традиционных приборов с вращающимся и стационарным анодом, предприятие изготавливает устройства с холодным катодом, управляемым световым потоком. Преимущества прибора следующие:

  • работа в непрерывном и импульсном режимах;
  • безынерционность;
  • регулирование интенсивности током светодиода;
  • чистота спектра;
  • возможность получения рентгеновского излучения различной интенсивности.

Для чего нужна рентгеновская трубка и как она работает?

Рентгеновские трубки (фото приведено в статье) являются преобразователями энергии. Они получают ее из сети и превращают в другие формы – проникающее излучение и тепло, при этом последнее является нежелательным побочным продуктом. Устройство рентгеновской трубки таково, что она максимизирует производство фотонов и рассеивает тепло так быстро, насколько это возможно.

Трубка представляет собой относительно простой прибор, как правило, содержащий два принципиальных элемента – катод и анод. Когда ток течет от катода к аноду, электроны теряют энергию, что приводит к генерации рентгеновского излучения.

рентгеновские трубки

Рентгеновская трубка ее устройство, характеристическое излучение.

Рентгеновская трубка представляет собой запаянную вакуумированную стеклянную трубку, в которой находятся электроды (рис.2). При наложении разности потенциалом между электродами (порядка 10-50 кВ) электроны отрываются от катода и с огромной скоростью начинают двигаться по направлению к аноду. При столкновении с анодом электроны останавливаются, при этом основная часть их энергии идет на нагрев анода, и очень небольшая часть (порядка 1%) трансформируется в излучение, которое выходит из трубки через бериллиевое окошко. Энергия излучения hν равна работе по перемещению электрона с зарядом e в электрическом поле с разностью потенциалов V: eV = hν = hc/λ

Читайте также: Как берут ПЦР для определения хламидиоза, уреаплазмы и микоплазмы

При допущении о переходе всей энергии электрона в излучение можно рассчитать минимальную длину волны возникающего излучения: λmin = hc/eV, а с учетом значений физических констант (h, c, e) эта формула принимает вид: λmin (Ǻ)= 12,4/V(кэВ). Из данной зависимости следует, что с повышением разности потенциалов между катодом и анодом минимально возможное значение длины волны λmin будет уменьшаться (рис.)Поскольку большая часть энергии электронов идет на нагрев анода, то в спектре рентгеновской трубки появляются волны с длинами λ > λmin, причем их образование более вероятно, чем λmin.

Эти процессы характеризуют так называемую тормозную област

ь спектра рентгеновской трубки (рис.). При дальнейшем повышении разности потенциалов в спектре рентгеновской трубки появляются интенсивные узкие пики. Их происхождение объясняется следующими процессами. Электроны приобретают энергию, которой оказывается достаточно, чтобы выбить электроны с внутренних оболочек атомов металла, из которого сделан анод. Далее электроны с вышележащих уровней переходят на вакантное место. Этот переход сопровождается испусканием излучения с длиной волны λ = hc/ΔE, где ΔE – разница в энергии между электронными уровнями. Поскольку величины ΔE имеют характерные значения для любого сорта атомов, то и линии в спектре рентгеновской трубки, возникающие в результате этого процесса, называются характеристическими, а соответствующая область спектра –
характеристической областьюНаправления применения рентгеновской дифрактометрии.
Рентгеновская дифрактометрия является важным неразрушающим методом анализа веществ в твердом, порошковом или кристаллическом виде: металлы, минералы, полимеры, катализаторы, синтетические материалы, фармацевтические продукты, тонкие пленки и слои, керамика, а также полупроводники. Изучение свойств материалов и контроль качества в науке и на производстве невозможен без рентгеновской дифрактометрии.

Рентгенографические методы анализа щироко используются для изучения структуры, состава и свойств различных материалов, и в том числе, строительных. Широкому распространению рентгенографического анализа способствовала его объективность, универсальность, быстрота многих его методов, точность и возможность решения разнообразных задач, часто не доступных для других методов исследования. С помощью рентгенографического анализа исследуют качественный и количественный минералогический и фазовый состав материалов (рентгенофазовый анализ) тонкую структуру кристаллических веществ — форму, размер и тип элементарной ячейки, симметрию кристалла. Координаты атомов в пространстве (рентгеноструктурный анализ) степень совершенства кристаллов и наличие в них зональных напряжений размер мозаичных блоков в монокристаллах тип твердых растворов, степень их упорядоченности и границы растворимости размер и ориентировку частиц в дисперсных системах текстуру веществ и состояние поверхностных слоев различных материалов плотность, коэффициент термического расширения, толщину листовых материалов и покрытий внутренние микродефекты в изделиях (дефектоскопия) поведение веществ при низких и высоких температурах и давлениях и т. д.

Билет 4.

Рентгенограмма (синоним рентгеновский снимок) — постоянное негативное изображение исследуемого объекта, полученное на специальной (рентгеновской) пленке или фотобумаге при помощи рентгеновского излучения. Для получения рентгенограммы используют одно из основных свойств рентгеновского излучения (см.) — проникать через различные среды и ткани организма и поглощаться ими в различной степени в зависимости от их физико-химических свойств. Важнейшее значение при этом имеет порядковый номер элементов (по таблице Менделеева), составляющих те или иные ткани, толщина слоя снимаемого объекта и его плотность, а также длина волны рентгеновского излучения, практически определяемая жесткостью, выраженной в киловольтах. Установлено, что поглощение рентгеновского излучения пропорционально четвертой степени порядкового номера элемента (Z) и третьей степени длины волны. Следовательно, атомы кальция (Z = 20), составляющие в основном костную ткань, по сравнению с атомами кислорода (Z=8), входящими в состав так называемых мягких тканей, поглощают рентгеновское излучение сильнее: 204:84 =160 000 : 4096=40, т. е. приблизительно в 40 раз. Отсюда понятно, почему кости по сравнению с мягкими тканями дают на рентгенограмме гораздо более интенсивную тень. На этой же закономерности основано применение контрастных веществ, таких как барий (Z=56), йод (Z=53) и других, там, где естественные условия контрастности недостаточны или отсутствуют. Так как рентгенографический эффект, кроме свойств объекта, зависит от качества (жесткости) и количества (в миллиамперсекундах) рентгеновского излучения, прошедшего через объект исследования и достигшего усиливающих экранов и пленки, ясно, что чем жестче будет излучение, иначе говоря, чем больше его проникающая способность и чем больше экспозиция, т. е. количество излучения, тем сильнее будет процесс фотохимического воздействия на светочувствительный слой и тем выраженнее будет степень почернения пленки после ее фотообработки. Основными наиболее важными критериями оценки рентгенограммы, определяющими ее пригодность для целей рентгенодиагностики, являются: 1) оптическая контрастность; 2) резкость изображения и 3) отсутствие артефактов.

Интенсивность — количественная характеристика рентгеновского излучения, которая выражается количеством лучей, испускаемых трубкой в единицу времени. Интенсивность рентгеновского излучения измеряется в миллиамперах. Сравнивая её с интенсивностью видимого света от обычной лампы накаливания, можно провести аналогию: так, лампа на 20 Ватт будет светить с одной интенсивностью, или силой, а лампа на 200 Ватт — с другой, при этом качество самого света (его спектр) является одинаковым. Интенсивность рентгеновского излучения, по сути, это его количество. Каждый электрон создаёт на аноде один или несколько квантов излучения, следовательно, количество рентгеновских лучей при экспонировании объекта регулируется путём изменения количества электронов, стремящихся к аноду, и количества взаимодействий электронов с атомами вольфрамовой мишени, что можно осуществить двумя путями:

1. Изменяя степень накала спирали катода при помощи понижающего трансформатора (количество электронов, образующихся при эмиссии, будет зависеть от того, насколько сильно раскалена вольфрамовая спираль, а количество квантов излучения будет зависеть от количества электронов);

2. Изменяя величину высокого напряжения, подводимого повышающим трансформатором к полюсам трубки — кадоду и аноду (чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем большую кинетическую энергию получают электроны, которые за счёт своей энергии могут взаимодействовать с несколькими атомами вещества анода поочерёдно — см. рис. 5; электроны с низкой энергией смогут вступить в меньшее число взаимодействий).

Интенсивность рентгеновского излучения (анодный ток), помноженная на выдержку (время работы трубки), соответствует экспозиции рентгеновского излучения, которая измеряется в мАс (миллиамперах в секунду). Экспозиция — это параметр, который, также как и интенсивность, характеризует количество лучей, испускаемых рентгеновской трубкой. Разница состоит лишь в том, что экспозиция учитывает ещё и время работы трубки (так, например, если трубка работает 0,01 сек., то количество лучей будет одним, а если 0,02 сек, то количество лучей будет другим — в два раза больше). Экспозиция излучения устанавливается рентгенологом на контрольной панели рентгеновского аппарата в зависимости от вида исследования, размеров исследуемого объекта и диагностической задачи.

Анод

Анод является компонентом, в котором производится испускание высокоэнергетических фотонов. Это сравнительно массивный элемент из металла, который соединяется с положительным полюсом электрической цепи. Выполняет две основные функции:

  • преобразует энергию электронов в рентгеновское излучение,
  • рассеивает тепло.

Материал для анода выбирается так, чтобы усилить эти функции.

В идеале большинство электронов должно образовывать высокоэнергетические фотоны, а не тепло. Доля их полной энергии, которая превращается в рентгеновское излучение, (КПД) зависит от двух факторов:

  • атомного номера (Z) анодного материала,
  • энергии электронов.

В большинстве рентгеновских трубок в качестве материала анода используется вольфрам, атомный номер которого равен 74. В дополнение к большому Z, этот металл обладает некоторыми другими характеристиками, которые делают его подходящими для этой цели. Вольфрам уникален по своей способности сохранять прочность при нагревании, имеет высокую температуру плавления и низкую скорость испарения.

В течение многих лет анод делали из чистого вольфрама. В последние годы начали использовать сплав этого металла с рением, но лишь на поверхности. Сам анод под вольфрам-рениевым покрытием изготовляется ​​из легкого материала, хорошо аккумулирующего тепло. Двумя такими веществами являются молибден и графит.

Читайте также: Рекомендации по правилам сбора анализа мочи

Рентгеновские трубки, используемые для маммографии, изготавливают с анодом, покрытым молибденом. Этот материал имеет промежуточный атомный номер (Z=42), который генерирует характеристические фотоны с энергиями, удобными для съемки груди. Некоторые приборы для маммографии также имеют второй анод, выполненный из родия (Z=45). Это позволяет повысить энергию и добиться большего проникновения для плотной груди.

Использование рений-вольфрамового сплава улучшает долгосрочный выход излучения – со временем эффективность устройств с анодом из чистого вольфрама уменьшается вследствие термического повреждения поверхности.

Большинство анодов имеет ​​форму скошенных дисков и крепится к валу электродвигателя, который вращает их на относительно высоких скоростях во время испускания рентгеновских лучей. Цель вращения – отвод тепла.

устройство рентгеновской трубки

Устройство и принцип работы рентгеновского аппарата

Рентгеновский аппарат представляет собой агрегат, применяющий рентгеновское излучение для получения информации о состоянии внутренних органов и костей для выявления патологий и их последующего устранения.

Конструктивно рентгеновский аппарат представляет собой агрегат, состоящий:

  • из питающего устройства, которое предназначено для регулирования радиационных параметров и обеспечения электроэнергией;
  • одной или нескольких трубочек (излучателей);
  • устройства, которое преобразует рентгеновское излучение в видимое изображение, доступное для наблюдения;
  • штативов, с помощью которых можно управлять аппаратом.

Аппарат надежно защищен толстым корпусом из свинца. Атомы этого металла отлично поглощают рентгеновские лучи, что позволяет обеспечить безопасность для медицинского персонала и точно направить лучи на объект исследования через отверстие, имеющееся в корпусе аппарата.

Рентеновский аппарат

В зависимости от условий конструкции и условий эксплуатации рентгеновские аппараты бывают:

  • стационарные — для использования в специальных рентгеновских кабинетах;
  • дентальные, переносные, импульсные;
  • перевозимые к месту назначения на специальных автомобилях;
  • передвижные — предназначены для работы в палатах, травматологических и операционных отделениях, на дому.

В зависимости от области использования различаются рентгеновские аппараты:

  • дентальные,
  • для урологических исследований,
  • ангиографии,
  • нейрорентгенодиагностики.

Принцип работы рентгеновского аппарата основывается на подведении напряжения к пульту управления, откуда, после регулировки, напряжение передается на главный трансформатор. Затем возросшее напряжение достигает рентгеновской трубки, и происходит излучение. Лучи проходят через кожный покров и в разной степени поглощаются мышечной и костной тканью. Больше всего рентгеновские лучи поглощает кальций, входящий в состав костей. Поэтому кости на снимке ярко-белого цвета. Соединительные ткани, мышцы, жир и жидкость не так интенсивно поглощают лучи, поэтому на изображении они имеют оттенки серого цвета. Меньше всего рентгеновские лучи поглощает воздух. Поэтому содержащие его полости будут на изображении самыми темными.

На снимке, полученном при помощи устройства, преобразующего в рентгеновском аппарате излучение в готовое изображение, хорошо видны кости и внутренние органы (иногда для лучшей визуализации органы предварительно наполняют контрастной субстанцией), что позволяет точно выявить различные патологии.

Фокальное пятно

В генерации рентгеновского излучения участвует не весь анод. Оно возникает на небольшом участке его поверхности – фокальном пятне. Размеры последнего определяются размерами электронного пучка, поступающего из катода. В большинстве устройств оно имеет прямоугольную форму и варьируется в пределах 0,1–2 мм.

Рентгеновские трубки проектируют с определенным размером фокального пятна. Чем оно меньше, тем меньше размытость и выше четкость изображения, и чем оно больше, тем лучше отводится тепло.

Размер фокусного пятна является одним из факторов, который необходимо учитывать, когда выбирают рентгеновские трубки. Производители выпускают приборы с малыми фокальными пятнами, когда необходимо достичь высокой разрешающей способности и достаточно небольшой радиации. Например, это требуется при исследовании малых и тонких частей тела, как в маммографии.

Читайте также: ПЦР-диагностика хламидии трахоматис (Chlamydia trachomatis)

Рентгеновские трубки в основном производят с фокусными пятнами двух размеров – большим и малым, которые могут быть выбраны оператором в соответствии с процедурой формирования изображения.

Оптические свойства рентгеновской трубки[править | править код]

Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Трубки, применяемые для рентгенографии, должны обладать, помимо необходимых спектральных и мощностных характеристик, ещё и определёнными оптическими свойствами. Они определяются размерами той части поверхности анода (фокусное пятно), на которую непосредственно падает пучок электронов и где генерируется рентгеновское излучение. Чем меньше размеры фокусного пятна, тем больше источник лучей подобен точечному источнику и тем лучше становятся оптические свойства трубки (максимальная разрешающая способность получаемых изображений). Однако малая площадь фокусного пятна ограничивает максимальную мощность трубки, потому что на поверхности фокусного пятна происходит рассеяние всей выделяемой теплоты. Даже при изготовлении зеркала анода из вольфрама (самый тугоплавкий металл), фокусное пятно площадью 1 мм² может рассеять не более 200 Вт при односекундном включении трубки. Для преодоления этого ограничения применяются рентгеновские трубки с вращающимся анодом.

Катод

Основная функция катода – генерировать электроны и собирать их в луч, направленный на анод. Как правило, он состоит из небольшой проволочной спирали (нити), погруженной в чашеобразное углубление.

Электроны, проходящие по цепи, обычно не могут покинуть проводник и уйти в свободное пространство. Однако они могут это сделать, если получат достаточное количество энергии. В процессе, известном как термоэмиссия, для изгнания электронов из катода используется тепло. Это становится возможным, когда давление в откачанной рентгеновской трубке достигает 10-6–10-7 мм рт. ст. Нить нагревается таким же образом, как спираль лампы накаливания при пропускании через нее тока. Работа рентгеновской трубки сопровождается нагревом катода до температуры свечения с вытеснением тепловой энергией из него части электронов.

рентгеновские трубки фото

Баллон

Анод и катод содержатся в герметичном корпусе – баллоне. Баллон и его содержимое часто называют вставкой, которая имеет ограниченный срок службы и может заменяться. Рентгеновские трубки в основном имеют стеклянные колбы, хотя для некоторых применений используются металлические и керамические баллоны.

Основной функцией баллона является обеспечение поддержки и изоляция анода и катода, и поддержание вакуума. Давление в откачанной рентгеновской трубке при 15°C составляет 1,2·10-3 Па. Наличие газов в баллоне позволило бы электричеству течь через прибор свободно, а не только в виде электронного пучка.

Рентгеновские трубки для структурного анализа

Рентгеновские трубки для структурного анализа

Также это изделие может называться: x-ray tubes for structural analysis.

Рентгеновские трубки для структурного анализа применяются для образования рентгеновского излучения, когда катодные лучи сталкиваются с атомами тяжелых металлов.

Трубки БСВ и трубки БС применяются в промышленности для осуществления структурного анализа.

Условное обозначение:

Трубка БСВ2, где:

Б — защита от излучения (в защитном кожухе).

С — применяется для структурного анализа.

Характер принудительного охлаждения:

В — водяное;

отсутствие буквы — трубка с естественным охлаждением.

2 — число, обозначающее порядковый номер типа трубки (все возможные варианты приведены в таблице с модификациями).

Рентгеновские трубки для структурного анализа доступны для заказа в следующих количествах:

Маркировка
БС1 БСВ10
БС6 БСВ11
БС11 БСВ23
БС17 БСВ27
БС18 БСВ28
БСВ2 БСВ29
БСВ3 БСВ32
БСВ4 БСВ40
БСВ5 БСВ41
БСВ6 БСВ42
БСВ7 БСВ43
БСВ8 БСВ45
БСВ9

Также на сайте zapadpribor.com представлены похожие рентгеновские трубки.

Технические характеристики:

Напряжение накала — от 0,4 В до 5,6 В.

Ток накала — от 0,7 А до 4,3 А.

Читайте также: Фосфаты в моче — что делать, как лечить

Ток анода — не более 60 мА.

Катод — вольфрамовый торированный, карбидированный прямого накала.

Фокус — линейный, кольцевой.

Расход воды при температуре:

— +20° С — от 3 л/мин до 12 л/мин;

— +50° С — от 5 л/мин до 6 л/мин.

Относительная загрязненность спектра излучения побочными линиями — не более 0,5%.

Долговечность — не менее 300 ч.

Наибольшая температура окружающей среды — +100° С.

Варианты исполнения рентгеновских трубок в зависимости от вида приёмки:

— отдел технического контроля — ОТК;

— особо стойкие (особо стабильные) — ОС;

— приемка заказчика — ПЗ;

— военная приемка — ВП.

Стеклянная рентгеновская трубка откачана до высокого вакуума. В трубку вделаны два электрода: массивный анод в виде медного стержня и катод в виде накаливаемой током вольфрамовой нити, окруженной фокусирующим цилиндром или чашечкой. В трубке сделаны четыре окошка из специального стекла, мало поглощающего рентгеновские лучи. На анодный конец трубки навинчивается стальной цилиндр с четырьмя отверстиями, устанавливающимися против окошек трубки. Через эти отверстия рентгеновские лучи выходят из трубки.

Принцип работы рентгеновской трубки заключается в следующем: нить катода накаливается током и выделяет электроны. Внутри трубки создается сильное электрическое поле, ускоряющее электроны в сторону анода. Попадая в зеркало анода — пластинку, напаянную на конец анодного стержня, электроны создают рентгеновские лучи, исходящие от анода и распространяющиеся во все стороны. Окошки трубки расположены с таким расчетом, чтобы пропустить наиболее интенсивную часть пучка лучей. Зеркало анода изготовляется из различных металлов.

В задачах рентгеноструктурного анализа, особенно требующих получения рентгенограмм с высоким разрешением, эффективность съемки зависит от размеров фокуса и, значит, определяется удельной мощностью трубки — мощностью, испускаемой единицей площади антикатода. Для таких условий предназначены острофокусные рентгеновские трубки БСВ, например, БСВ-7, БСВ-8, БСВ-9 и микрофокусная трубка БСВ-5.

Удельная мощность лампы БСВ может достигать 10 кВт/мм2, так как чем меньше фокус, тем лучше теплоотвод и тем большие перегрузки можно допускать.

Описание на рентгеновские трубки для структурного анализа создано ООО «ЗАПАДПРИБОР» и добавлено на сайт zapadpribor.com. Использовать данный материал можно только с письменного разрешения правообладателя; указание ссылки на данную страницу zapadpribor.com/rentgenovskie-trubki-dlya-strukturnogo-analiza/ обязательно.

Цепь

Электрическая цепь соединяет трубку с источником энергии, который называется генератором. Источник получает питание от сети и преобразует переменный ток в постоянный. Генератор также позволяет регулировать некоторые параметры цепи:

  • KV – напряжение или электрический потенциал;
  • MA – ток, который течет через трубку;
  • S – длительность или время экспозиции, в долях секунды.

Цепь обеспечивает движение электронов. Они заряжаются энергией, проходя через генератор, и отдают ее аноду. По мере их движения происходит два преобразования:

  • потенциальная электрическая энергия превращается в кинетическую;
  • кинетическая, в свою очередь, преобразуется в рентгеновское излучение и тепло.

Принцип действия и устройство[править | править код]

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, Uh
— напряжение накала катода,
Ua
— ускоряющее напряжение, Win — впуск водяного охлаждения, Wout — выпуск водяного охлаждения Рентгеновская трубка Современная рентгеновская трубка для рентгеноструктурных исследований

Излучающий элемент представляет собой вакуумный сосуд с тремя электродами: катодом, накалом катода и анодом.

Основными конструктивными элементами рентгеновской трубки являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом

). Катод при нагревании испускает электроны (происходит термоэлектронная эмиссия). Далее из-за большой разности потенциалов между катодом и анодом (десятки — сотни киловольт) поток электронов ускоряется и приобретает большую энергию. Полученный ускоренный пучок электронов попадает на положительно заряженный анод. Достигая анода, электроны испытывают резкое торможение, моментально теряя большую часть приобретённой энергии. При этом возникает тормозное излучение рентгеновского диапазона. В процессе торможения лишь около 1 кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99 % энергии превращается в тепло. Чтобы предотвратить перегрев анода, в мощных рентгеновских трубках применяют водное или масляное охлаждение и вращающийся анод[1].

Рентгеновские трубки работают в режиме почти плоского диода, поэтому ток через трубку определяется законом степени трёх вторых (при неизменной температуре катода), (Ia=K*Ua³/2), где Ia — ток анода, Ua — напряжение анода, К — коэффицент пропорциональности, индивидуальный для каждой лампы (трубки). Для регулировки тока через трубку управляют количеством испускаемых электронов, то есть изменяя напряжение накала.

Типичные значения анодного напряжения в медицинских трубках для рентгенографии — 60…80 кВ, тока — десятки мА, таким образом импульсная мощность составляет несколько кВт. При рентгеноскопии используется непрерывный режим работы при токе несколько мА. Для рентгенотерапии применяются трубки с анодным напряжением более 100 кВ для получения более жёсткого излучения.

Потенциал

Когда электроны поступают в колбу, они обладают потенциальной электрической энергией, количество которой определяется напряжением KV между анодом и катодом. Рентгеновская трубка работает под напряжением, для создания 1 KV которого каждая частица должна обладать 1 кэВ. Регулируя KV, оператор наделяет каждый электрон определенным количеством энергии.

спектр рентгеновских трубок

Строение электровакуумного прибора

Схема рентгеновской трубки выглядит так:

  • стандартная колба;
  • горловина анода;
  • двигающийся диск анода;
  • фокус-пятно анода;
  • спираль накаливания катода;
  • система фокуса катода.

Сегодня электровакуумные приборы оснащены двумя фокусами большого и малого размеров, на них и распределяются электроны. Для этого в окно встроен прибор коллимации, который должен находиться в постоянном движении, чтобы рентгеновская трубка не повредилась. В этих целях снизу устроена система передвижения анода.

Кинетика

Низкое давление в откачанной рентгеновской трубке (при 15°C оно составляет 10-6–10-7 мм рт. ст.) позволяет частицам под действием термоэлектронной эмиссии и электрической силы вылетать из катода к аноду. Эта сила ускоряет их, что приводит к увеличению скорости и кинетической энергии и убыванию потенциальной. Когда частица попадает на анод, ее потенциал теряется, и вся ее энергия переходит в кинетическую. 100-кэВ электрон достигает скорости, превышающей половины скорости света. Ударяясь о поверхность, частицы очень быстро замедляются и теряют свою кинетическую энергию. Она превращается в рентгеновское излучение или тепло.

Электроны вступают в контакт с отдельными атомами материала анода. Излучение генерируется при их взаимодействии с орбиталями (рентгеновские фотоны) и с ядром (тормозное излучение).

Виды рентгеновских трубок, их достоинства и недостатки.

В данной статье мы разберем основные виды рентгеновских трубок, которые используются в рентгеновских аппаратах. Какие-то из этих трубок могут использоваться и в вашем рентгеновском аппарате, или же в тех приборах, которые вы планируете приобрести для вашего предприятия. Итак речь пойдет о следующих аппаратах: импульсных рентгеновских, полупериодных рентеновских, низко и среднечастотных аппаратах постоянного потенциала, а также о высокочастотных аппаратах постоянного потенциала.

1.1. В импульсных рентгеновских аппаратах питание рентгеновской трубки осуществляется кратковременными импульсами напряжения, идущими с низкой частотой. Эффективная мощность данных аппаратов самая низкая, что обеспечивает низкое качество изображения. Катод большинства таких аппаратов не имеет накала, и построен по принципу взрывной эмиссии и достаточно быстро выходит из строя. Трубку необходимо часто менять. Таким образом, низкая эффективность импульсных рентгеновских аппаратов заставляет использовать высокочувствительную рентгеновскую пленку и усиливающие экраны, что приводит к ухудшению качества изображения. В связи с этим в странах ЕС импульсные аппараты практически не используются. К достоинствам импульсных аппаратов можно отнести очень малый вес и размеры, а также низкую стоимость. Эти достоинства обеспечивали довольно широкое распространение импульсных аппаратов в России, но в последнее время все большее внимание уделяться качеству получаемого изображения и импульсные аппараты отходят в мир иной, даже без каких-либо законодательных запретов. Характерный представитель импульсных рентгеновских аппаратов – аппарат Арина. Мощность излучения 50 Вт, ресурс работы рентгеновской трубки — 50 часов. 1.2. Полупериодные рентгеновские аппараты являются следующим шагом после импульсных. Они содержат повышающий трансформатор, но не имеют умножителя. Выпрямителем напряжения служит сама рентгеновская трубка, которая является диодом. Полупериодные аппараты, как и следует из их названия, используют только половину синусоиды высокого напряжения. Полупериодные аппараты работают на низких или средних частотах. В среднем эффективность полупериодного аппарата уступает высокочастотному аппарату постоянного потенциала в 4 раза. К полупериодным аппаратам относятся известные в России аппараты Balto и ICM. 1.3. Низко и среднечастотные аппараты постоянного потенциала. Эти аппараты уже содержат умножитель напряжения и обеспечивают питание трубки напряжением, приближенным к постоянному. Низко и среднечастотные аппараты уступают по эффективности высокочастотным. Примером низкочастотного аппарата является переносной аппарат РАП. 1.4. Высокочастотные аппараты постоянного потенциала. Они являются вершиной развития. Частота преобразования в таких аппаратах обычно превышает 20кГц. Напряжение на трубке можно считать почти постоянным. Эффективность выхода рентгеновского излучения самая высокая и ограничивается только физикой рентгеновской трубки. Номограммы у высокочастотных аппаратов постоянного потенциала примерно совпадают. Представителями этого семейства являются аппараты Smart, Eresco, РПД, СБК.

Спектр

Лишь немногие фотоны обладают энергией, близкой к энергии электронов. У большинства из них она ниже. Предположим, что существует пространство, или поле, окружающее ядро, в котором электроны испытывают силу «торможения». Это поле может быть разделено на зоны. Это дает полю ядра вид мишени с атомом в центре. Электрон, попадающий в любую точку мишени, испытывает торможение и генерирует рентгеновский фотон. Частицы, попадающие ближе всего к центру, подвергаются наибольшему воздействию и, следовательно, теряют больше всего энергии, производя самые высокоэнергичные фотоны. Электроны, попадающие во внешние зоны, испытывают более слабые взаимодействия и генерируют кванты с более низкой энергией. Хотя зоны имеют одинаковую ширину, что они имеют разную площадь, зависящую от расстояния до ядра. Так как число частиц, попадающих на данную зону, зависит от ее общей площади, то очевидно, что внешние зоны захватывают больше электронов и создают больше фотонов. По этой модели можно предсказать энергетический спектр рентгеновского излучения.

Emax фотонов основного спектра тормозного излучения соответствует Emax электронов. Ниже этой точки, с уменьшением энергии квантов их число растет.

Значительное число фотонов с малыми энергиями поглощается или фильтруется, поскольку они пытаются пройти через поверхность анода, окно трубки или фильтр. Фильтрация, как правило, зависит от состава и толщины материала, через который проходит луч, что и определяет конечный вид низкоэнергетической кривой спектра.

рентгеновская трубка работает под напряжением

Влияние KV

Высокоэнергетическую часть спектра определяет напряжение в рентгеновских трубках kV (киловольт). Это происходит потому, что оно обусловливает энергию электронов, достигающих анода, а фотоны не могут обладать потенциалом, большим чем этот. Под каким напряжением работает рентгеновская трубка? Максимальная энергия фотона соответствует максимальному приложенному потенциалу. Это напряжение может изменяться во время экспозиции из-за переменного тока сети. В этом случае Emax фотона определяется пиковым напряжением периода колебаний KVp.

Читайте также: Протромбиновый индекс (ПТИ) — что это такое и как рассчитать (формула). Почему растет или падает ПТИ?

Кроме потенциала квантов, KVp определяет количество радиации, создаваемой данным числом электронов, попадающих на анод. Так как общая эффективность тормозного излучения увеличивается за счет роста энергии бомбардирующих электронов, которая определяется KVp, то отсюда следует, что KVp влияет на КПД прибора.

Изменение KVp, как правило, изменяет спектр. Общая площадь под кривой энергий представляет собой число фотонов. Без фильтра спектр представляет собой треугольник, а количество радиации пропорционально квадрату KV. При наличии фильтра увеличение KV также увеличивает проникновение фотонов, что снижает процент фильтруемого излучения. Это ведет к увеличению радиационного выхода.

Характеристическое излучение

Тип взаимодействия, который производит характеристическое излучение, включает столкновение высокоскоростных электронов с орбитальными. Взаимодействие может происходить только тогда, когда входящая частица обладает Ек большей, чем энергия связи в атоме. Когда это условие соблюдено, и происходит столкновение, электрон выбивается. При этом остается вакансия, заполняемая частицей более высокого энергетического уровня. По мере движения электрон отдает энергию, излучаемую в виде рентгеновского кванта. Это называется характеристическим излучением, так как E фотона является характеристикой химического элемента, из которого сделан анод. Например, когда выбивается электрон К-уровня вольфрама с Есвязи=69,5 кэВ, вакансия заполняется электроном из L-уровня с Eсвязи=10,2 кэВ. Характеристический рентгеновский фотон обладает энергией, равной разности между этими двумя уровнями, или 59,3 кэВ.

На самом деле, данный материал анода приводит к появлению ряда характеристических энергий рентгеновского излучения. Это происходит потому, что электроны на различных энергетических уровнях (K, L и т.д.) могут быть выбиты бомбардирующими частицами, а вакансии могут быть заполнены из различных энергетических уровней. Несмотря на то что заполнение вакансий L-уровня генерирует фотоны, их энергии слишком малы для использования в диагностической визуализации. Каждой характеристической энергии дается обозначение, которое указывает на орбиталь, в которой образовалась вакансия, с индексом, который показывает источник заполнения электрона. Индекс альфа (α) обозначает заполнение электрона из L-уровня, а бета (β) указывает на заполнение из уровня М или N.

  • Спектр вольфрама. Характеристическое излучение этого металла производит линейный спектр, состоящий из нескольких дискретных энергий, а тормозное создает непрерывное распределение. Число фотонов, созданных каждой характеристической энергией, отличается тем, что вероятность заполнения вакансии K-уровня зависит от орбитали.
  • Спектр молибдена. Аноды из данного металла, используемые для маммографии, производят две достаточно интенсивные характеристические энергии рентгеновского излучения: K-альфа при 17,9 кэВ, и K-бета при 19,5 кэВ. Оптимальный спектр рентгеновских трубок, позволяющий достичь наилучший баланс между контрастностью и дозой облучения для груди среднего размера, достигается при Еф=20 кэВ. Однако тормозное излучение производится большими энергиями. В оборудовании для маммографии для удаления нежелательной части спектра используется молибденовый фильтр. Фильтр работает по принципу «K-края». Он поглощает излучение, превышающее энергию связи электронов на К-уровне атома молибдена.
  • Спектр родия. Родий имеет атомный номер 45, а молибден – 42. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение родиевого анода будет иметь немного большую энергию, чем у молибдена, и более проникающую. Это используется для получения изображений плотной груди.

Аноды с двойными участками поверхности, молибден-родиевыми, дают возможность оператору выбрать распределение, оптимизированное под молочные железы разного размера и плотности.

под каким напряжением работает рентгеновская трубка

Устройство рентгеновской трубки.

Тема: Физико-технические основы рентгенологии. Методы исследования. Принцип искусственного контрастирования.

Введение.

Современные технологии лучевой диагностики в настоящее время представлены следующими методами:

  1. Рентгенологический метод.
  2. Рентгеновская компьютерная томография (РКТ).
  3. Магнитно-резонансная томография (МРТ).
  4. Ультразвуковое исследование (УЗИ).
  5. Радионуклидное исследование (РНИ).

При рентгенологическом методе и рентгеновской компьютерной томографии используется ионизирующее (рентгеновское) излучение, при радиоизотопном методе ионизирующее (гамма-излучение), соответственно при проведении вышеперечисленных методов, пациент получает лучевую нагрузку, что делает нежелательным использование их в детском возрасте; они абсолютно противопоказаны во время беременности.

При ультразвуковом исследовании и магнитно-резонансной томографии применяется неионизирующие излучения (пациент не получает лучевую нагрузку), следовательно, данные методы могут широко использоваться в педиатрии и во время беременности (I триместр беременности является относительным противопоказанием к проведению МРТ).

Открытие В.К.Рентгеном нового вида излучения.

В истории медицины нет более ярких примеров определяющего влияния на его развитие вновь открытых явлений из других областей познания мира, подобных открытию рентгеновских лучей. Это выдающееся открытие, совершившее переворот не только в медицине, но и во многих отраслях науки и техники, состоялось 8 ноября 1895 года. Сделал его профессор физики Вюрцбургского университета в Германии Вильгельм Конрад Рентген.

Изучая волновую природу катодных лучей, Рентген обнаружил неизвестное до этого явление – флюоресценцию кристаллов солей бария на расстоянии 2 метров от катодной трубки. В. К. Рентген сделал вывод об излучении катодной трубкой неизвестных науке лучей, обладающих высокой проникающей способностью и вызывающих свечение кристаллов сернокислого бария. Эти лучи Рентген назвал Х-лучами, а весь мир после его сообщения о сделанном открытии стал называть новый вид излучения рентгеновскими лучами.

В.К. Рентген сделал свое сообщение об открытии Х-лучей 23.01.1896г. на заседании Вюрцбургского физико-медицинского общества, где продемонстрировал первые рентгеновские снимки.

В.К. Рентген не извлек никаких материальных выгод из своего открытия. Он отказался от патента на свое изобретение, заявив: «В соответствии со славными традициями немецких университетских профессоров я считаю, что мое открытие принадлежит человечеству и ему не должны ни в коей мере мешать патенты, лицензии, контракты или контроль какой-либо группы людей».

Благодарное человечество навсегда увековечило память о В.К.Рентгене в названии науки, медицинской специальности и диагностических исследований.

Физические основы рентгенологического метода и принципы работы аппаратуры.

Рентгеновское излучение занимает область электромагнитного спектра между гамма- и ультрафиолетовым излучением, представляет собой поток квантов (фотонов), двигающихся со скоростью света – 300.000 км/с. Электрического заряда кванты не имеют, масса их пренебрежительно мала.

Свойства рентгеновских лучей:

1) Проникающая способность — проходят через объекты, не пропускающие видимый свет, т.е. с их помощью можно увидеть внутреннюю структуру объекта;

2) Флюоресцирующее —вызывают свечение некоторых химических соединений; на этом основана методика рентгеновского просвечивания (рентгеноскопия);

3) Фотохимическое действие —разлагают некоторые химические соединения, в частности, галоидные соединения серебра, применяемые в фотоэмульсиях (на этом основана рентгенография).

4) Ионизирующее действие — рентгеновское излучение способно вызывать распад нейтральных атомов на положительные и отрицательные ионы.

5) Биологическое действие –изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии ионизирующего излучения. В 1986 г. русский физиолог И.Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Поэтому проводимые рентгеновские обследования строго учитываются, суммарная доза полученного облучения не должна превышать определенных границ. Многочисленные исследования показывают, что клетки наиболее радиочувствительны в период деления и дифференцировки. Это делает облучение наиболее опасным для детей и беременных женщин. На этом же основана и радиотерапия опухолей – растущая ткань опухоли погибает при облучении в дозах, которые меньше повреждают окружающие нормальные ткани.

Устройство рентгеновской трубки.

Рентгеновская трубка (излучатель) представляет собой стеклянную колбу, в концы которой впаяны электроды – анод и катод. Катод представляет собой спираль, анод – диск со скошенной поверхностью в месте контакта с попадающими на него электронами. Катод нагревается сильным током низкого напряжения и начинает испускать свободные электроны, которые формируют вокруг него так называемое электронное облако. При подаче на электроды высокого напряжения (десятки и сотни киловольт) электроны от поверхности катода отрываются (это явление называется электронной эмиссией), устремляются к аноду и ударяются о его поверхность. Анод вращается с огромной скоростью, на его скошенную поверхность попадает поток электронов, при этом их высокая кинетическая энергия преобразуется в энергию электромагнитных волн с различной частотой, большая часть которой рассеивается в виде теплового излучения. И только около 1% от всей энергии, образованной вследствие торможения электронов об анод, покидает рентгеновскую трубку в виде рентгеновского излучения. Скошенная поверхность анода, на которую направлен поток электроном, определяет направление рентгеновского излучения перпендикулярно к оси их движения в рентгеновской трубке. Благодаря вращению анода поток электронов в разные моменты времени ударяется о разные участки его поверхности, что предохраняет анод от перегревания (рис. 1).

Рисунок 1. Схема строения рентгеновской трубки: 1 – катод, 2 – анод, 3 – поток электронов, 4 – рентгеновское излучение.

Таким образом, по своим физическим характеристикам рентгеновское излучение является тормозным электромагнитным излучением. Источника постоянного излучения (радиоактивного вещества) рентгеновская трубка не содержит, следовательно, пребывание рядом с неработающей рентгеновской трубкой безопасно, человек не подвергается облучению.

Выделяют два основных метода рентгенологического исследования: рентгенография и рентгеноскопия (просвечивание). Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, часто они используются вместе.

Преимущества рентгеноскопии:

§ Метод прост и экономичен (так как часто не затрачивается серебросодержащая рентгеновская пленка);

§ Позволяет исследовать пациента при постепенных поворотах (многоосевое исследование);

§ Возможность полипозиционного исследования;

§ Позволяет наблюдать внутренние органы в их динамике (сердечные сокращения, сосудистая пульсация, перистальтика ЖКТ);

Преимущества рентгенографии:

§ Главное преимущество заключается в том, что на рентгенограмме выявляется большее количество деталей рентгеновского изображения;

§ Рентгеновский снимок – это объективный документ, пригодный для демонстрации, для прослеживания процесса в динамике и т.д.;

§ Рентгенография – объективный метод исследования, в то время как, рентгеноскопия – субъективный, проводить описание снимков, выполненных в ходе рентгеноскопии имеет право только тот врач, который проводил исследование;

§ Меньше лучевая нагрузка на пациента (так как меньше время воздействия рентгеновского излучения: при рентгенографии – секунды или доли секунд, при рентгеноскопии – минуты).

В большинстве случаев рентгенография на заключительном этапе включает в себя получение традиционного рентгеновского снимка на пленке. После выполнения снимка пленку подвергают специальной обработке: проявке, фиксации, промывке, сушке. Это может выполняться как вручную, так и автоматически в проявочных машинах.

Почернение рентгеновской пленки происходит при восстановлении металлического серебра в ее экспонированном эмульсионном слое. То есть чем больше рентгеновского излучения попадет на данный участок пленки, тем в большей степени она почернеет. И наоборот, если расположенный перед пленкой объект плохо пропускает рентгеновские лучи, то участок пленки, «экранированный» этим объектом, останется светлым.

Существует еще очень важная особенность получения рентгеновс­кого изображения, которая заключается в его суммационном характере. Что это такое? Проходя через исследуемый объект (тело человека), рентгеновский луч пересекает не одну, а огромное множество точек, каждая из которых обладает собственными свойствами по взаимодействию с рентгеновским лучом. Соответственно на любой точке рентгенограммы получится суммарное изображение всего множества проецирующихся друг на друга точек реального объекта, расположен­ных по ходу каждого рентгеновского луча.

Следовательно, на рентгенограмме определяется проекция объекта на плоскость. Судить о глубине расположения того или иного фрагмента исследуемого объекта по одной рентгенограмме нельзя.

Чтобы точно определить, где расположен интересующий объект, надо выполнять рентгенограммы в нескольких проекциях (прямой и боковой).

Основные рентгенологические симптомы:

§ Затемнение – участок более высокой плотности по сравнению с окружающими тканями, на рентгенограммах выглядит как более светлый участок (костные структуры, тела металлической плотности, обызвествления, конкременты).

§ Просветление – область повышенной прозрачности, которая выглядит на рентгенограммах как более темный участок (легочная ткань, воздушные полости, газ в кишке, мягкие ткани).

§ Дефект наполнения – образуется, когда какая-либо ткань препятствует заполнению просвета полого органа контрастным веществом, например, при заполнении мочевого пузыря контрастным веществом камень имеет вид дефекта наполнения (опухоли, конкременты, инородные тела).

Влияние KV на спектр

Значение KV сильно влияет на характеристическое излучение, т. к. оно не будет производиться, если KV меньше энергии электронов K-уровня. Когда KV превышает это пороговое значение, количество излучения, как правило, пропорционально разности KV трубки и порогового KV.

Спектр энергий фотонов рентгеновского луча, выходящего из прибора, определяется несколькими факторами. Как правило, он состоит из квантов тормозного и характеристического взаимодействия.

КПД

Лишь небольшая часть энергии, доставляемая электронами, преобразуется в радиацию. Основная доля поглощается и превращается в тепло. КПД излучения определяется как доля полной излучаемой энергии от общей электрической, сообщаемой аноду. Факторами, которые определяют КПД рентгеновской трубки, являются приложенное напряжение KV и атомный номер Z. Примерное отношение следующее:

  • КПД = KV х Z х 10-6.

Взаимосвязь между эффективностью и KV оказывает специфическое влияние на практическое использование рентгеновского оборудования. Из-за выделения тепла трубки имеют определенный предел по количеству электрической энергии, которую они могут рассеивать. Это накладывает ограничение на мощность прибора. С увеличением KV, однако, количество радиации, произведенное на единицу тепла, значительно увеличивается.

Зависимость коэффициента полезного действия генерации рентгеновского излучения от состава анода представляет лишь академический интерес, поскольку в большинстве устройств используется вольфрам. Исключением является молибден и родий, используемые в маммографии. КПД этих приборов значительно ниже вольфрамовых из-за их более низкого атомного номера.

давление в откачанной рентгеновской трубке

Эффективность

Эффективность рентгеновской трубки определяется как количество облучения в миллирентгенах, доставленного в точку в центре полезного пучка на расстоянии 1 м от фокусного пятна на каждый 1 мАс электронов, проходящих через прибор. Ее значение выражает способность прибора преобразовывать энергию заряженных частиц в рентгеновское излучение. Позволяет определить экспозицию пациента и снимка. Как и КПД, эффективность устройства зависит от ряда факторов, в том числе KV, формы волны напряжения, материала анода и степени повреждения его поверхности, фильтра и времени использования прибора.

Система фильтрации рентгеновской трубки

Рентгеновское излучение, получаемое в трубке, представляет собой излучение широкого спектра с разной длиной волны, в том числе мягкое излучение, которое в значительной степени поглощается тканями человека и не влияет на качество получаемого изображения. Цель фильтрации – снизить количество неполезного излучения, тем самым снизив дозу облучения пациента. Фильтрация происходит элементами самой трубки – стеклом, маслом, фильтрами в тубусе кожуха и в коллиматоре. Дальнейшая фильтрация осуществляется уже в самом диагностическом аппарате.

Рентгеновские трубки: производители

Компания Oxford Instruments выпускает различные устройства, включая стеклянные мощностью до 250 Вт, потенциалом 4–80 кВ, фокальным пятном до 10 микрон и широким диапазоном материалов анода, в т. ч. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian предлагает более 400 различных типов медицинских и промышленных рентгеновских трубок. Другими известными производителями являются Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong и др.

В России выпускаются рентгеновские трубки «Светлана-Рентген». Помимо традиционных приборов с вращающимся и стационарным анодом, предприятие изготавливает устройства с холодным катодом, управляемым световым потоком. Преимущества прибора следующие:

  • работа в непрерывном и импульсном режимах;
  • безынерционность;
  • регулирование интенсивности током светодиода;
  • чистота спектра;
  • возможность получения рентгеновского излучения различной интенсивности.

Разновидности рентгеновских трубок и срок их службы

В данной статье рассмотрим классификацию рентгеновских трубок и зависимость срока их эксплуатации от различных параметров.

Виды рентгеновских трубок

виды рентгеновских трубок

В медицинской рентгенографии рентгеновские трубки классифицируются на несколько групп:

  • по назначению трубки они делятся на диагностические и терапевтические;
  • по конструкции анода: с неподвижным или вращающимся анодом;
  • по количеству фокусов: однофокусные и двухфокусные и трехфокусные;
  • в зависимости от мощности, которая варьируется от 0,2 до 100 кВт;
  • по виду охлаждения анода (водяное, масляное, калориферное, комбинированное).

Диагностические трубки применяются в рентгенографии, рентгеноскопии, флюорографии, маммографии и в компьютерных томографах. Терапевтические трубки применяются для рентгенотерапии, в лечении опухолей и некоторых видов воспалений. Напряжение, с которым они работают, значительно выше, чем у диагностических трубок и составляет до 400 кВ. Их оптический фокус имеет форму круга или эллипса, тогда как у диагностических трубок он имеет форму квадрата.

Охлаждение рентгеновской трубки

Из-за низкого КПД рентгеновских трубок (почти вся энергия преобразуется в тепловую и лишь малая часть – в рентгеновское излучение) большое значение приобретает охлаждение рентгеновской трубки. Чтобы охладить анод в рентгеновской трубке применяется несколько принципов:

  • Охлаждение посредством излучения тепла – применяется в трубках с вращающимся анодом, который имеет большую площадь поверхности, через которую происходит излучение тепла.
  • Охлаждение за счет теплопроводности – за счет этого тепло с зеркала анода передается по всему его веществу. Чем больше масса анода, тем выше теплопроводность и анод меньше нагревается.
  • Охлаждение с помощью конвекции. Подразделяется на два вида – охлаждение газом (естественная или принудительная циркуляция воздуха), охлаждение жидкостью (для этого применяется вода или масло).

Срок службы рентгеновской трубки

Период бесперебойной эксплуатации рентгеновских трубок напрямую зависит от следующих параметров:

  • соблюдение допустимой нагрузки на трубку;
  • время охлаждения трубки;
  • накал катода.

Допустимая нагрузка на трубку – это максимальная температура, при которой трубка работает без повреждения ее элементов. Для каждой трубки указывается предельно допустимая нагрузка в виде графиков или таблиц. Чем ближе рабочая нагрузка на трубку к предельному значению, тем быстрее наступает ее выход из строя.

Несоблюдение требуемого времени охлаждения анода может приводить к его плавлению, появлению на нем трещин, неровностей и т.п. Время охлаждения приобретает особое значение при серийной съемке, так как промежутки между снимками очень малы и анод не успевает охладиться. С точки зрения нагрузки – энергия для серийной съемки должна быть меньше максимально допустимую нагрузку трубки для всей длительности серии снимков.

Накал катода тоже имеет большое значение для срока службы рентгеновской трубки. При большом токе накала наступает перегрев нити катода из вольфрама, что приводит к ее истончению и перегоранию. Таким образом, большое напряжение на нить накала должно подаваться только в моменты, когда оно действительно необходимо.

Для сохранения рабочего состояния трубок для КТ, рентген аппаратов и маммографов в современной аппаратуре применяются сложные автоматические системы безопасности, контролирующие нагрев и охлаждение анода, соблюдение допустимой нагрузки на трубку и оптимального напряжения на нить катода.