Kuinka röntgenputket toimivat?

2024 Kirjoittaja: Curtis Blomfield | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-15 09:37

Röntgensäteet syntyvät muuntamalla elektronien energiaa fotoneiksi, mikä tapahtuu röntgenputkessa. Säteilyn määrää (altistusta) ja laatua (spektriä) voidaan säätää muuttamalla laitteen virtaa, jännitettä ja käyttöaikaa.

Toimintaperiaate

Röntgenputket (kuva on artikkelissa) ovat energianmuuntimia. He ottavat sen verkosta ja muuttavat sen muihin muotoihin - läpäiseväksi säteilyksi ja lämmöksi, joista jälkimmäinen on ei-toivottu sivutuote. Röntgenputken rakenne on sellainen, että se maksimoi fotonituotannon ja haihduttaa lämpöä mahdollisimman nopeasti.

Putki on suhteellisen yksinkertainen laite, joka sisältää yleensä kaksi peruselementtiä - katodin ja anodin. Kun virta kulkee katodista anodille, elektronit menettävät energiaa, mikä johtaa röntgensäteiden muodostumiseen.

Anodi

Anodi on komponentti, joka lähettääkorkean energian fotoneja. Tämä on suhteellisen massiivinen metallielementti, joka on kytketty sähköpiirin positiiviseen napaan. Suorittaa kaksi päätoimintoa:

muuttaa elektronienergian röntgensäteiksi,
haittaa lämpöä.

Anodimateriaali on valittu parantamaan näitä toimintoja.

Ihannetapauksessa useimpien elektronien pitäisi muodostaa korkeaenergisiä fotoneja, ei lämpöä. Niiden kokonaisenergian osuus, joka muunnetaan röntgensäteiksi (tehokkuus), riippuu kahdesta tekijästä:

anodimateriaalin atominumero (Z),
elektronien energia.

Useimmat röntgenputket käyttävät anodimateriaalina volframia, jonka atomiluku on 74. Suuren Z:n lisäksi tällä metallilla on muita ominaisuuksia, jotka tekevät siitä sopivan tähän tarkoitukseen. Volframi on ainutlaatuinen kykynsä säilyttää lujuus kuumennettaessa, sillä on korkea sulamispiste ja alhainen haihtumisnopeus.

Anodi on valmistettu monien vuosien ajan puhtaasta volframista. Viime vuosina tämän metallin ja reniumin seosta on alettu käyttää, mutta vain pinnalla. Itse volframi-reniumpinnoitteen alla oleva anodi on valmistettu kevyestä materiaalista, joka varastoi hyvin lämpöä. Kaksi tällaista ainetta ovat molybdeeni ja grafiitti.

Mammografiassa käytettävät röntgenputket on valmistettu molybdeenipinnoitetusta anodista. Tällä materiaalilla on väliatomiluku (Z=42), joka tuottaa ominaisia fotoneja, joiden energiat ovat sopiviarintojen kuvaamiseen. Joissakin mammografialaitteissa on myös toinen rodiumista valmistettu anodi (Z=45). Tämän avulla voit lisätä energiaa ja saavuttaa paremman tunkeutumisen tiukoille rinnoille.

Renium-volframiseoksen käyttö parantaa pitkän aikavälin säteilytehoa – ajan myötä puhtaiden volframianodien laitteiden tehokkuus laskee pinnan lämpövaurioiden vuoksi.

Useimmat anodit ovat viistolevyjen muotoisia ja kiinnitetty sähkömoottorin akseliin, joka pyörittää niitä suhteellisen suurilla nopeuksilla samalla kun ne lähettävät röntgensäteitä. Pyörityksen tarkoitus on poistaa lämpöä.

Keskipiste

Koko anodi ei ole mukana röntgensäteiden tuottamisessa. Se esiintyy pienellä alueella sen pintaa - polttopisteessä. Jälkimmäisen mitat määräytyvät katodista tulevan elektronisäteen mittojen mukaan. Useimmissa laitteissa se on suorakaiteen muotoinen ja vaihtelee välillä 0,1-2 mm.

Röntgenputket on suunniteltu tietyllä polttopisteen koolla. Mitä pienempi se on, sitä vähemmän epäterävä ja terävämpi kuva, ja mitä suurempi se on, sitä parempi lämmön haihtumista.

Fokaalipisteen koko on yksi niistä tekijöistä, jotka on otettava huomioon röntgenputkia valittaessa. Valmistajat valmistavat laitteita pienillä polttopisteillä, kun on tarpeen saavuttaa korkea resoluutio ja riittävän alhainen säteily. Tätä tarvitaan esimerkiksi tutkittaessa pieniä ja ohuita ruumiinosia, kuten mammografiassa.

Röntgenputket valmistetaan pääasiassa kahdella polttopistekoolla, suurella ja pienellä, jotka käyttäjä voi valita kuvantamismenettelyn mukaisesti.

Katodi

Katodin päätehtävä on tuottaa elektroneja ja kerätä ne anodiin suunnatuksi säteeksi. Yleensä se koostuu pienestä lankaspiraalista (langasta), joka on upotettu kupin muotoiseen syvennykseen.

Piirin läpi kulkevat elektronit eivät yleensä voi poistua johtimesta ja mennä vapaaseen tilaan. He voivat kuitenkin tehdä sen, jos he saavat tarpeeksi energiaa. Prosessissa, joka tunnetaan nimellä lämpöemissio, lämpöä käytetään elektronien poistamiseen katodista. Tämä on mahdollista, kun paine tyhjennetyssä röntgenputkessa saavuttaa 10^-6–10^{-7 mmHg. Taide. Hehkulanka lämpenee samalla tavalla kuin hehkulampun hehkulanka, kun sen läpi kulkee virta. Röntgenputken toimintaan liittyy katodin lämmitys hehkutuslämpötilaan, jolloin osa elektroneista siirtyy pois lämpöenergian vaikutuksesta.}

Balloon

Anodi ja katodi ovat hermeettisesti suljetussa astiassa. Ilmapalloa ja sen sisältöä kutsutaan usein sisäkkeeksi, jonka käyttöikä on rajoitettu ja joka voidaan vaihtaa. Röntgenputkissa on enimmäkseen lasilamppuja, vaikka joissain sovelluksissa käytetään metalli- ja keraamisia lamppuja.

Pallon päätehtävä on tukea ja eristää anodia ja katodia sekä ylläpitää tyhjiötä. Paine tyhjennetyssä röntgenputkessa15°C:ssa on 1,2 10-3 Pa. Kaasujen läsnäolo ilmapallossa mahdollistaisi sähkön vapaan virtauksen laitteen läpi, ei vain elektronisuihkun muodossa.

Tapaus

Röntgenputken rakenne on sellainen, että sen runko toimii muiden komponenttien sulkemisen ja tukemisen lisäksi suojana ja absorboi säteilyä lukuun ottamatta ikkunan läpi kulkevaa hyödyllistä sädettä. Sen suhteellisen suuri ulkopinta haihduttaa suuren osan laitteen sisällä syntyvästä lämmöstä. Rungon ja sisäosan välinen tila on täytetty öljyllä eristystä ja jäähdytystä varten.

Ketju

Sähköpiiri yhdistää putken energialähteeseen, jota kutsutaan generaattoriksi. Lähde saa virran verkosta ja muuntaa vaihtovirran tasavirraksi. Generaattorin avulla voit myös säätää joitain piiriparametreja:

KV - jännite tai sähköpotentiaali;
MA on putken läpi kulkeva virta;
S – kesto tai valotusaika, sekunnin murto-osissa.

Piiri tarjoaa elektronien liikkeen. Ne latautuvat energialla, kulkevat generaattorin läpi ja antavat sen anodille. Niiden liikkuessa tapahtuu kaksi muutosta:

potentiaalinen sähköenergia muunnetaan kineettiseksi energiaksi;
kineettinen puolestaan muuttuu röntgensäteiksi ja lämmöksi.

Potentiaalia

Kun elektronit tulevat lamppuun, niissä on potentiaalista sähköenergiaa, jonka määrän määrää anodin ja katodin välinen jännite KV. Röntgenputki toimiijännitteen alaisena, jotta saadaan 1 KV, josta jokaisella hiukkasella on oltava 1 keV. Säätämällä KV:ta käyttäjä antaa jokaiselle elektronille tietyn määrän energiaa.

Kinetiikka

Matala paine tyhjennetyssä röntgenputkessa (15°C:ssa se on 10^-6–10^{-7 mmHg.) mahdollistaa hiukkasten lentää katodilta anodille termionisen emission ja sähkövoiman vaikutuksesta. Tämä voima kiihdyttää niitä, mikä johtaa nopeuden ja kineettisen energian kasvuun ja potentiaalin pienenemiseen. Kun hiukkanen osuu anodiin, sen potentiaali menetetään ja kaikki sen energia muuttuu kineettiseksi energiaksi. 100 keV:n elektroni saavuttaa nopeudet, jotka ylittävät puolet valon nopeudesta. Pintaan osuessaan hiukkaset hidastuvat hyvin nopeasti ja menettävät kineettisen energiansa. Se muuttuu röntgensäteiksi tai lämmöksi.}

Elektronit joutuvat kosketuksiin anodimateriaalin yksittäisten atomien kanssa. Säteilyä syntyy, kun ne ovat vuorovaikutuksessa kiertoradan (röntgenfotonit) ja ytimen kanssa (bremsstrahlung).

Link Energy

Jokaisella atomin sisällä olevalla elektronilla on tietty sitoutumisenergia, joka riippuu viimeksi mainitun koosta ja tasosta, jolla hiukkanen sijaitsee. Sitoutumisenergialla on tärkeä rooli ominaisten röntgensäteiden syntymisessä, ja se on välttämätöntä elektronin poistamiseksi atomista.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung tuottaa eniten fotoneja. Anodin materiaalin läpi tunkeutuvat ja ytimen läheltä kulkevat elektronit taipuvat ja hidastuvatatomin vetovoima. Heidän tämän kohtaamisen aikana menetetty energia näkyy röntgenfotonina.

Spectrum

Vain muutamien fotonien energia on lähellä elektronien energiaa. Suurin osa niistä on matalampia. Oletetaan, että ytimen ympärillä on tila tai kenttä, jossa elektronit kokevat "jarrutusvoiman". Tämä kenttä voidaan jakaa vyöhykkeisiin. Tämä antaa ytimen kenttään kohteen ulkonäön, jonka keskellä on atomi. Elektroni, joka osuu mihin tahansa kohteen pisteeseen, hidastaa ja synnyttää röntgenfotonin. Lähimpänä keskustaa osuvat hiukkaset kärsivät eniten, ja siksi ne menettävät eniten energiaa tuottaen eniten energiaa fotoneja. Ulkovyöhykkeille saapuvat elektronit kokevat heikompaa vuorovaikutusta ja tuottavat pienempiä energiakvanteja. Vaikka vyöhykkeillä on sama leveys, niillä on eri pinta-ala riippuen etäisyydestä ytimeen. Koska tietylle vyöhykkeelle putoavien hiukkasten lukumäärä riippuu sen kokonaispinta-alasta, on selvää, että ulommat vyöhykkeet vangitsevat enemmän elektroneja ja luovat enemmän fotoneja. Tätä mallia voidaan käyttää röntgensäteiden energiaspektrin ennustamiseen.

E_max fotonia pääkirjontaspektristä vastaa E_{max elektroneja. Tämän pisteen alapuolella fotonien energian pienentyessä niiden lukumäärä kasvaa.}

Huomattava määrä matalan energian fotoneja absorboituu tai suodattuu, kun ne yrittävät kulkea anodin pinnan, putken ikkunan tai suodattimen läpi. Suodatus riippuu yleensä materiaalin koostumuksesta ja paksuudestasäde kulkee läpi, mikä määrittää spektrin matalaenergiakäyrän lopullisen muodon.

KV-vaikutus

Spektrin korkeaenerginen osa määräytyy röntgenputkien kV (kilovolt) jännitteen perusteella. Tämä johtuu siitä, että se määrittää anodin saavuttavien elektronien energian, eikä fotoneilla voi olla tätä suurempaa potentiaalia. Millä jännitteellä röntgenputki toimii? Maksimi fotonienergia vastaa suurinta käytettyä potentiaalia. Tämä jännite voi muuttua altistuksen aikana AC-verkkovirran vuoksi. Tässä tapauksessa fotonin E_max määrää värähtelyjakson KV_{p. huippujännite.}

Kvanttipotentiaalin lisäksi KV_p määrittää säteilyn määrän, jonka tietty määrä elektroneja osuu anodiin. Koska bremsstrahlungin kokonaishyötysuhde kasvaa pommittavien elektronien energian kasvun vuoksi, jonka määrää KV_p, tästä seuraa, että KV_{pvaikuttaa laitteen tehokkuuteen.}

KV_{p muuttaminen muuttaa yleensä spektriä. Energiakäyrän alla oleva kokonaispinta-ala on fotonien lukumäärä. Ilman suodatinta spektri on kolmio ja säteilyn määrä on verrannollinen KV:n neliöön. Suodattimen läsnä ollessa KV:n kasvu lisää myös fotonien tunkeutumista, mikä vähentää suodatetun säteilyn prosenttiosuutta. Tämä lisää säteilytehoa.}

Tuomainen säteily

Vuorovaikutuksen tyyppi, joka tuottaa ominaisuudensäteily, sisältää nopeiden elektronien törmäyksen orbitaalisten elektronien kanssa. Vuorovaikutus voi tapahtua vain, kun saapuvan hiukkasen E_k suurempi kuin sitomisenergia atomissa. Kun tämä ehto täyttyy ja törmäys tapahtuu, elektroni sinkoutuu. Tässä tapauksessa jää tyhjä paikka, joka täyttyy korkeamman energiatason hiukkasella. Kun elektroni liikkuu, se vapauttaa energiaa, joka säteilee röntgenkvantin muodossa. Tätä kutsutaan ominaissäteilyksi, koska fotonin E on sen kemiallisen alkuaineen ominaisuus, josta anodi on valmistettu. Esimerkiksi kun elektroni volframin K-tasolta, jonka E_bond=69,5 keV tyrmätään, tyhjennetty tila täytetään L-tason elektronilla, jonka E _{bond=10, 2 keV. Ominaisen röntgenfotonin energia on yhtä suuri kuin näiden kahden tason välinen ero eli 59,3 keV.}

Itse asiassa tämä anodimateriaali tuottaa useita tyypillisiä röntgenenergioita. Tämä johtuu siitä, että eri energiatasoilla (K, L jne.) olevat elektronit voidaan tyrmätä pommittamalla hiukkasia ja tyhjiä paikkoja voidaan täyttää eri energiatasoilla. Vaikka L-tason avoimien työpaikkojen täyttäminen synnyttää fotoneja, niiden energiat ovat liian alhaiset käytettäväksi diagnostisessa kuvantamisessa. Jokaiselle ominaisenergialle annetaan merkintä, joka osoittaa kiertoradan, jolla tyhjyys muodostui, ja indeksillä, joka osoittaa elektronin täyttölähteen. Indeksi alfa (α) osoittaa elektronin miehityksen L-tasolta ja beeta (β) osoittaatäyttö tasolta M tai N.

Volframispektri. Tämän metallin ominaissäteily tuottaa lineaarisen spektrin, joka koostuu useista erillisistä energioista, kun taas bremsstrahlung luo jatkuvan jakauman. Kunkin ominaisenergian tuottamien fotonien määrä eroaa siten, että todennäköisyys täyttää K-tason tyhjiö riippuu radasta.

Molybdeenin spektri. Tämän metallin mammografiassa käytetyt anodit tuottavat kaksi melko voimakasta ominaista röntgenenergiaa: K-alfa 17,9 keV:lla ja K-beta 19,5 keV:lla. Röntgenputkien optimaalinen spektri, joka mahdollistaa parhaan tasapainon kontrastin ja säteilyannoksen välillä keskikokoisille rinnoille, saavutetaan arvolla E_{ph=20 keV. Bremsstrahlung tuotetaan kuitenkin suurilla energioilla. Mammografialaitteisto käyttää molybdeenisuodatinta ei-toivotun spektrin osan poistamiseen. Suodatin toimii "K-edge" -periaatteella. Se absorboi säteilyä, joka ylittää elektronien sitoutumisenergian molybdeeniatomin K-tasolla.}
Rodiumin spektri. Rodiumin atomiluku on 45, kun taas molybdeenin atominumero on 42. Siksi rodiumanodin ominaisella röntgensäteilyllä on hieman korkeampi energia kuin molybdeenillä ja se on läpäisevämpi. Tätä käytetään tiheiden rintojen kuvaamiseen.

Kaksipintaisten molybdeeni-rodium-anodien avulla käyttäjä voi valita jakauman, joka on optimoitu eri rintojen kokoille ja tiheyksille.

KV:n vaikutus spektriin

KV:n arvo vaikuttaa suuresti ominaissäteilyyn, koska sitä ei synny, jos KV on pienempi kuin K-tason elektronien energia. Kun KV ylittää tämän kynnyksen, säteilyn määrä on yleensä verrannollinen putken KV ja kynnyksen KV väliseen eroon.

Laitteesta tulevien röntgenfotonien energiaspektri määräytyy useiden tekijöiden perusteella. Yleensä se koostuu bremsstrahlungista ja tunnusomaisista vuorovaikutuskvanteista.

Spektrin suhteellinen koostumus riippuu anodin materiaalista, KV:sta ja suodattimesta. Volframianodilla varustetussa putkessa ei synny ominaissäteilyä KV< 69,5 keV:lla. Diagnostisissa tutkimuksissa käytetyillä korkeammilla CV-arvoilla ominaissäteily lisää kokonaissäteilyä jopa 25 %. Molybdeenilaitteissa se voi muodostaa suuren osan kokonaistuotannosta.

Tehokkuus

Vain pieni osa elektronien toimittamasta energiasta muuttuu säteilyksi. Pääosa imeytyy ja muuttuu lämmöksi. Säteilytehokkuus määritellään osuuden säteilyn kokonaisenergiasta anodille annetusta kokonaissähköenergiasta. Röntgenputken tehokkuuden määrääviä tekijöitä ovat käytetty jännite KV ja atomiluku Z. Esimerkkisuhde on seuraava:

Tehokkuus=KV x Z x 10-6.

Tehokkuuden ja KV:n suhde vaikuttaa erityisesti röntgenlaitteiden käytännön käyttöön. Lämmön vapautumisen vuoksi putkilla on tietty raja sähkön määrälleenergiaa, jonka he voivat haihduttaa. Tämä rajoittaa laitteen tehoa. KV:n kasvaessa lämpöyksikköä kohti tuotetun säteilyn määrä kuitenkin kasvaa merkittävästi.

Röntgensäteilyn tehokkuuden riippuvuus anodin koostumuksesta on vain akateemista mielenkiintoa, koska useimmat laitteet käyttävät volframia. Poikkeuksena ovat mammografiassa käytettävä molybdeeni ja rodium. Näiden laitteiden tehokkuus on paljon pienempi kuin volframin niiden pienemmän atomiluvun vuoksi.

Tehokkuus

Röntgenputken tehokkuus määritellään valotusmääränä millirentgeeneinä, joka toimitetaan hyödyllisen säteen keskustassa 1 m:n etäisyydellä polttopisteestä jokaista 1 mAs:ta kohden. laitteen läpi kulkevia elektroneja. Sen arvo ilmaisee laitteen kyvyn muuntaa varautuneiden hiukkasten energiaa röntgensäteiksi. Voit määrittää potilaan ja kuvan valotuksen. Kuten tehokkuus, laitteen tehokkuus riippuu useista tekijöistä, mukaan lukien KV, jännitteen a altomuoto, anodimateriaali ja pintavauriot, suodatin ja käyttöaika.

KV-ohjaus

KV ohjaa tehokkaasti röntgenputken lähtöä. Yleensä oletetaan, että lähtö on verrannollinen KV:n neliöön. KV:n kaksinkertaistaminen lisää valotusta 4x.

A altomuoto

A altomuoto kuvaa tapaa, jolla KV muuttuu ajan myötä sukupolven aikanasäteilyä virtalähteen syklisestä luonteesta johtuen. Käytetään useita erilaisia a altomuotoja. Yleisperiaate on, että mitä vähemmän KV-muoto muuttuu, sitä tehokkaammin röntgensäteet tuotetaan. Nykyaikaisissa laitteissa käytetään generaattoreita, joiden KV on suhteellisen vakio.

Röntgenputket: valmistajat

Oxford Instruments valmistaa erilaisia laitteita, mukaan lukien lasilaitteet 250 W:iin asti, 4-80 kV potentiaaliin, 10 mikronin polttopisteen ja laajan valikoiman anodimateriaaleja, mukaan lukien Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian tarjoaa yli 400 erilaista lääketieteellistä ja teollista röntgenputkea. Muita tunnettuja valmistajia ovat Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong jne.

Röntgenputket "Svetlana-Rentgen" valmistetaan Venäjällä. Perinteisten pyörivällä ja kiinteällä anodilla varustettujen laitteiden lisäksi yhtiö valmistaa laitteita, joissa on kylmäkatodi, jota ohjataan valovirralla. Laitteen edut ovat seuraavat: