Рентген түтіктері қалай жұмыс істейді?

2024 Автор: Curtis Blomfield | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-15 09:42

Рентген сәулелері электрон энергиясын фотондарға айналдыру арқылы жасалады, ол рентгендік түтікте орын алады. Сәулеленудің мөлшері (экспозициясы) мен сапасын (спектрін) құрылғының тогын, кернеуін және жұмыс уақытын өзгерту арқылы реттеуге болады.

Жұмыс принципі

Рентген түтіктері (фото мақалада берілген) энергияны түрлендіргіш болып табылады. Олар оны желіден алып, оны басқа формаларға айналдырады - енетін радиация мен жылу, соңғысы жағымсыз жанама өнім болып табылады. Рентген түтігінің дизайны фотонды өндіруді барынша арттырып, жылуды мүмкіндігінше тез тарататындай етіп жасалған.

Түтік – әдетте екі негізгі элементті – катодты және анодты қамтитын салыстырмалы түрде қарапайым құрылғы. Ток катодтан анодқа өткенде электрондар энергияны жоғалтады, нәтижесінде рентген сәулелері пайда болады.

Анод

Анод – сәуле шығаратын құрамдасжоғары энергиялы фотондар. Бұл электр тізбегінің оң полюсіне қосылған салыстырмалы түрде массивтік металл элементі. Екі негізгі функцияны орындайды:

• электрон энергиясын рентген сәулелеріне айналдырады,
• жылуды таратады.

Анод материалы осы функцияларды жақсарту үшін таңдалған.

Ең дұрысы, электрондардың көпшілігі жылу емес, жоғары энергиялы фотондарды құруы керек. Олардың жалпы энергиясының рентген сәулелеріне айналатын бөлігі (тиімділік) екі факторға байланысты:

• анод материалының атомдық нөмірі (Z),
• электрондар энергиясы.

Рентген түтіктерінің көпшілігі атомдық нөмірі 74 болатын анод материалы ретінде вольфрамды пайдаланады. Бұл металдың үлкен Z-ге ие болуымен қатар, оны осы мақсатқа қолайлы ететін басқа да сипаттамалары бар. Вольфрам қызған кезде беріктікті сақтау қабілетімен ерекше, балқу температурасы жоғары және булану жылдамдығы төмен.

Көп жылдар бойы анод таза вольфрамнан жасалған. Соңғы жылдары бұл металдың рениймен қорытпасы қолданыла бастады, бірақ тек бетінде. Вольфрам-рений жабынының астындағы анодтың өзі жылуды жақсы сақтайтын жеңіл материалдан жасалған. Мұндай екі зат - молибден және графит.

Маммография үшін қолданылатын рентгендік түтіктер молибденмен қапталған анодпен жасалған. Бұл материалдың аралық атомдық нөмірі (Z=42) бар, ол өзіне ыңғайлы энергиялары бар тән фотондарды жасайды.кеудені суретке түсіру үшін. Кейбір маммографиялық құрылғыларда родийден жасалған екінші анод бар (Z=45). Бұл қуатты арттыруға және тар кеудеге көбірек енуге мүмкіндік береді.

Рений-вольфрам қорытпасын пайдалану ұзақ мерзімді сәуле шығаруды жақсартады - уақыт өте келе таза вольфрам анодты құрылғылардың тиімділігі бетінің термиялық зақымдалуына байланысты төмендейді.

Анодтардың көпшілігі қиғаш дискілерге ұқсайды және рентген сәулелерін шығару кезінде салыстырмалы түрде жоғары жылдамдықпен айналатын электр қозғалтқышының білігіне бекітіледі. Айналдыру мақсаты - жылуды кетіру.

Фокальды нүкте

Рентген сәулелерін генерациялауға бүкіл анод қатыспайды. Ол оның бетінің шағын аймағында пайда болады - фокалды нүкте. Соңғысының өлшемдері катодтан келетін электронды сәуленің өлшемдерімен анықталады. Көптеген құрылғыларда оның тікбұрышты пішіні бар және 0,1-2 мм аралығында өзгереді.

Рентген түтіктері арнайы фокустық нүкте өлшемімен жасалған. Ол неғұрлым кішірек болса, сурет соғұрлым бұлыңғыр және айқынырақ болады, ал үлкенірек болса, жылуды жақсырақ таратады.

Фокальды нүктенің өлшемі рентгендік түтіктерді таңдағанда ескерілетін факторлардың бірі болып табылады. Өндірушілер жоғары ажыратымдылыққа және жеткілікті төмен сәулеленуге қол жеткізу қажет болған кезде шағын фокустық нүктелері бар құрылғыларды шығарады. Мысалы, бұл маммографиядағыдай дененің кішкентай және жіңішке бөліктерін тексеру кезінде қажет.

Рентген түтіктері негізінен екі фокустық нүкте өлшемімен шығарылады, үлкен және кіші, оларды оператор кескіндеу процедурасына сәйкес таңдай алады.

катод

Катодтың негізгі қызметі – электрондарды генерациялау және оларды анодқа бағытталған сәулеге жинау. Әдетте, ол шыныаяқ тәрізді ойпатқа батырылған шағын сым спиральдан (жіптен) тұрады.

Тізбек арқылы өтетін электрондар әдетте өткізгіштен шығып, бос кеңістікке өте алмайды. Дегенмен, олар жеткілікті қуат алса, мұны істей алады. Жылулық эмиссия деп аталатын процесте жылу катодтан электрондарды шығару үшін пайдаланылады. Бұл эвакуацияланған рентгендік түтіктегі қысым 10^-6–10^{-7 мм сын.бағ. жеткенде мүмкін болады. Өнер. Жіптен ток өткенде, қыздыру шамының жіптері сияқты қызады. Рентген түтігінің жұмысы катодты қыздыру температурасына дейін одан электрондардың бір бөлігін жылу энергиясымен ығыстыруымен бірге жүреді.}

Әуе шары

Анод пен катод герметикалық жабылған контейнерде орналасқан. Шарды және оның мазмұнын көбінесе кірістіру деп атайды, оның қызмет ету мерзімі шектеулі және оны ауыстыруға болады. Рентген түтіктерінде негізінен шыны шамдар бар, бірақ кейбір қолданбалар үшін металл және керамикалық шамдар қолданылады.

Әуе шарының негізгі қызметі – анод пен катодты қолдау мен оқшаулауды қамтамасыз ету және вакуумды сақтау. Эвакуацияланған рентгендік түтіктегі қысым15°C температурада 1,2 10-3 Па. Шарда газдардың болуы электр тогының тек электронды сәуле түрінде емес, құрылғы арқылы еркін өтуіне мүмкіндік береді.

Іс

Рентген түтігінің конструкциясы басқа құрамдас бөліктерді қоршау және қолдаумен қатар, оның корпусы терезе арқылы өтетін пайдалы сәулені қоспағанда, қалқан қызметін атқарады және сәулені жұтады. Оның салыстырмалы түрде үлкен сыртқы беті құрылғының ішінде пайда болған жылудың көп бөлігін таратады. Корпус пен кірістіру арасындағы кеңістік оқшаулау және салқындату үшін маймен толтырылған.

Тізбек

Электр тізбегі түтікті генератор деп аталатын энергия көзіне қосады. Көз желіден қуат алады және айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіреді. Генератор сонымен қатар кейбір тізбек параметрлерін реттеуге мүмкіндік береді:

• КВ - кернеу немесе электрлік потенциал;
• MA - түтік арқылы өтетін ток;
• S – ұзақтығы немесе экспозиция уақыты, секундтың бөліктерінде.

Тізбек электрондардың қозғалысын қамтамасыз етеді. Олар генератор арқылы өтетін энергиямен зарядталады және оны анодқа береді. Олар қозғалған кезде екі түрлендіру орын алады:

• потенциалды электр энергиясы кинетикалық энергияға айналады;
• кинетикалық, өз кезегінде, рентген сәулелері мен жылуға айналады.

Әлеуетті

Электрондар лампаға түскенде олардың шамасы анод пен катод арасындағы КВ кернеуімен анықталатын потенциалдық электр энергиясы болады. Рентген түтігі жұмыс істейдікернеу астында, 1 КВ құру үшін оның әрбір бөлшектерінде 1 кВ болуы керек. КВ реттеу арқылы оператор әрбір электронға белгілі бір энергия мөлшерін береді.

Кинетика

Эвакуацияланған рентгендік түтіктегі төмен қысым (15°C температурада ол 10^-6–10^{-7 мм.сын. бағ.) термиондық эмиссия мен электрлік күштің әсерінен бөлшектердің катодтан анодқа ұшып шығуына мүмкіндік береді. Бұл күш оларды жеделдетеді, бұл жылдамдық пен кинетикалық энергияның жоғарылауына және потенциалдың төмендеуіне әкеледі. Бөлшек анодқа соқтығысқан кезде оның потенциалы жоғалады және оның барлық энергиясы кинетикалық энергияға айналады. 100 кВ электрон жарық жылдамдығының жартысынан асатын жылдамдыққа жетеді. Беткейге соғылған бөлшектер өте тез баяулайды және кинетикалық энергиясын жоғалтады. Ол рентген сәулелеріне немесе қызуға айналады.}

Электрондар анод материалының жеке атомдарымен жанасады. Сәулелену олар орбитальдармен (рентгендік фотондар) және ядромен (бремстрахлунг) әрекеттескенде пайда болады.

Сілтеме энергиясы

Атомның ішіндегі әрбір электронның белгілі бір байланыс энергиясы болады, ол соңғысының өлшеміне және бөлшектің орналасқан деңгейіне байланысты. Байланыс энергиясы тән рентген сәулелерінің генерациясында маңызды рөл атқарады және атомнан электронды шығару үшін қажет.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung фотондардың ең көп санын шығарады. Анод материалына еніп, ядроның жанынан өтетін электрондар ауытқиды және баяулайдыатомның тартылу күші. Осы кездесу кезінде олардың жоғалған энергиясы рентгендік фотон ретінде көрінеді.

Спектр

Тек бірнеше фотонның энергиясы электрондардікіне жақын. Олардың көпшілігі төменірек. Ядроның айналасында электрондар «тежеу» күшін сезінетін кеңістік немесе өріс бар деп есептейік. Бұл өрісті аймақтарға бөлуге болады. Бұл ядроның өрісіне ортасында атомы бар нысананың көрінісін береді. Нысананың кез келген нүктесіне соғылған электрон баяулауды сезінеді және рентгендік фотонды тудырады. Орталыққа ең жақын соғылған бөлшектер ең көп әсер етеді, сондықтан ең көп энергияны жоғалтады, ең жоғары энергия фотондарын шығарады. Сыртқы аймақтарға енетін электрондар әлсіз өзара әрекеттеседі және аз энергия кванттарын жасайды. Зоналардың ені бірдей болғанымен, олардың өзекке дейінгі қашықтығына байланысты ауданы әртүрлі. Берілген аймаққа түсетін бөлшектердің саны оның жалпы ауданына байланысты болғандықтан, сыртқы аймақтар көбірек электрондарды ұстап, көбірек фотондар жасайтыны анық. Бұл модельді рентген сәулелерінің энергетикалық спектрін болжау үшін пайдалануға болады.

E_max негізгі бремсстрахлунг спектрінің фотондары E_{max электрондарына сәйкес келеді. Осы нүктеден төмен фотон энергиясы азайған сайын олардың саны артады.}

Төмен энергиялы фотондардың едәуір саны анод бетінен, түтік терезесінен немесе сүзгіден өтуге тырысқанда сіңіріледі немесе сүзіледі. Фильтрация негізінен өтетін материалдың құрамы мен қалыңдығына байланыстысәуле өтеді, бұл спектрдің төмен энергиялық қисығының соңғы түрін анықтайды.

КВ әсері

Спектрдің жоғары энергетикалық бөлігі кВ (киловольт) рентгендік түтіктердегі кернеумен анықталады. Себебі ол анодқа түсетін электрондардың энергиясын анықтайды, ал фотондар бұдан жоғары потенциалға ие бола алмайды. Рентген түтігі қандай кернеумен жұмыс істейді? Максималды фотон энергиясы максималды қолданылатын потенциалға сәйкес келеді. Бұл кернеу әсер ету кезінде айнымалы ток желісіне байланысты өзгеруі мүмкін. Бұл жағдайда фотонның E_max тербеліс периоды KV_{p шыңы кернеуімен анықталады.}

Кванттық потенциалдан басқа, KV_p анодқа тиген электрондардың берілген санының әсерінен пайда болатын сәулелену мөлшерін анықтайды. КВ_p арқылы анықталатын бомбалаушы электрондардың энергиясының ұлғаюына байланысты бремсстрахлунгтың жалпы тиімділігі артады, сондықтан KV_{pқұрылғының тиімділігіне әсер етеді.}

KV_{p өзгерту әдетте спектрді өзгертеді. Энергетикалық қисық астындағы жалпы аудан фотондар саны. Сүзгісіз спектр үшбұрыш болып табылады, ал сәулелену мөлшері КВ квадратына пропорционал. Сүзгі болған кезде КВ жоғарылауы фотондардың енуін де арттырады, бұл фильтрленген сәулеленудің пайызын азайтады. Бұл радиацияның ұлғаюына әкеледі.}

Сәулеленудің сипаттамасы

Сипаттаманы тудыратын әрекеттесу түрісәулелену, жоғары жылдамдықты электрондардың орбиталық электрондармен соқтығысуы кіреді. Өзара әрекеттесу тек кіріс бөлшек атомдағы байланыс энергиясынан E_k артық болғанда ғана пайда болады. Бұл шарт орындалып, соқтығыс болған кезде электрон шығарылады. Бұл жағдайда бос орын қалады, ол энергия деңгейі жоғары бөлшекпен толтырылады. Электрон қозғалған кезде ол энергияны береді, ол рентгендік квант түрінде шығарылады. Бұл сипаттамалық сәулелену деп аталады, өйткені фотонның E мәні анод жасалған химиялық элементтің сипаттамасы болып табылады. Мысалы, E_{байланысы}=69,5 кВ вольфрамның K-деңгейіндегі электрон қағылғанда, бос орын L-деңгейінен E _{бар электронмен толтырылады. байланыс=10, 2 кВ. Сипаттама рентгендік фотонның энергиясы осы екі деңгей арасындағы айырмашылыққа тең немесе 59,3 кеВ.}

Шын мәнінде, бұл анодтық материал бірқатар тән рентгендік энергияларға әкеледі. Себебі әртүрлі энергия деңгейлеріндегі электрондарды (K, L, т.б.) бөлшектерді бомбалау арқылы қағып тастауға болады, ал бос орындарды әртүрлі энергетикалық деңгейден толтыруға болады. L-деңгейіндегі бос орындарды толтыру фотондарды тудырса да, олардың энергиясы диагностикалық бейнелеуде пайдалану үшін тым төмен. Әрбір сипаттамалық энергияға вакансия пайда болған орбитальді көрсететін белгілеу беріледі, индексі электронды толтыру көзін көрсетеді. Альфа (α) индексі L-деңгейінен электронның жұмыс істеуін көрсетеді, ал бета (β)M немесе N деңгейінен толтыру.

• Вольфрам спектрі. Бұл металдың сипатты сәулеленуі бірнеше дискретті энергиялардан тұратын сызықтық спектрді тудырады, ал бремстрахлунг үздіксіз таралуды жасайды. Әрбір сипаттамалық энергиямен өндірілген фотондар саны K-деңгейіндегі бос орынды толтыру ықтималдығы орбитальға байланысты болғандықтан ерекшеленеді.
• Молибден спектрі. Маммография үшін қолданылатын бұл металдың анодтары екі өте қарқынды тән рентгендік энергияны шығарады: 17,9 кВ-та K-альфа және 19,5 кВ-те К-бета. Орташа өлшемді кеудеге арналған контраст пен сәулелену дозасы арасындағы ең жақсы тепе-теңдікке қол жеткізуге мүмкіндік беретін рентгендік түтіктердің оңтайлы спектрі E_{ph=20 кеВ шамасында қол жеткізіледі. Дегенмен, bremsstrahlung жоғары энергияда өндіріледі. Маммографиялық жабдық спектрдің қажетсіз бөлігін жою үшін молибден сүзгісін пайдаланады. Сүзгі «K-edge» принципі бойынша жұмыс істейді. Ол молибден атомының K-деңгейіндегі электрондардың байланыс энергиясынан артық сәулеленуді жұтады.}
• Родий спектрі. Родийдің атомдық нөмірі 45, ал молибденнің атомдық нөмірі 42. Сондықтан родий анодының тән рентгендік сәулеленуі молибденге қарағанда біршама жоғары энергияға ие болады және көбірек енеді. Бұл тығыз кеуделерді бейнелеу үшін қолданылады.

Қос бетті молибден-родий анодтары операторға әртүрлі кеуде өлшемдері мен тығыздықтары үшін оңтайландырылған бөлуді таңдауға мүмкіндік береді.

КВ-ның спектрге әсері

КВ мәні сипаттамалық сәулеленуге қатты әсер етеді, өйткені КВ К-деңгейіндегі электрондардың энергиясынан аз болса, ол өндірілмейді. КВ осы шекті мәннен асқанда, сәулелену мөлшері әдетте түтік КВ және шекті КВ арасындағы айырмашылыққа пропорционал болады.

Аспаптан шығатын рентгендік фотондардың энергетикалық спектрі бірнеше факторлармен анықталады. Әдетте, ол бремсстрахлунг пен сипаттамалық әрекеттесу кванттарынан тұрады.

Спектрдің салыстырмалы құрамы анод материалына, КВ және сүзгіге байланысты. Вольфрам аноды бар түтікте KV< 69,5 кВ-та тән сәуле шығармайды. Диагностикалық зерттеулерде қолданылатын жоғары CV мәндерінде тән сәулелену жалпы сәулеленуді 25% дейін арттырады. Молибден құрылғыларында ол жалпы генерацияның үлкен бөлігін құра алады.

Тиімділік

Электрондар беретін энергияның аз ғана бөлігі сәулеленуге айналады. Негізгі бөлігі сіңеді және жылуға айналады. Радиациялық тиімділік анодқа берілген жалпы электр энергиясының жалпы сәулелену энергиясының үлесі ретінде анықталады. Рентген түтігінің тиімділігін анықтайтын факторлар қолданылатын кернеу KV және атомдық нөмірі Z. Мысал қатынас келесідей:

Тиімділік=KV x Z x 10-6.

Тиімділік пен КВ арасындағы байланыс рентгендік жабдықты практикалық пайдалануға ерекше әсер етеді. Жылудың бөлінуіне байланысты түтіктерде электр мөлшерінің белгілі бір шегі баролар тарата алатын энергия. Бұл құрылғының қуатына шектеу қояды. Алайда КВ ұлғайған сайын жылу бірлігіне өндірілетін сәулелену мөлшері айтарлықтай артады.

Рентгендік генерация тиімділігінің анод құрамына тәуелділігі тек академиялық қызығушылық тудырады, өйткені көптеген құрылғылар вольфрамды пайдаланады. Ерекшелік - маммографияда қолданылатын молибден мен родий. Атом саны төмен болғандықтан, бұл құрылғылардың тиімділігі вольфрамға қарағанда әлдеқайда төмен.

Тиімділік

Рентген түтігінің тиімділігі әрбір 1 мАс үшін фокустық нүктеден 1 м қашықтықта пайдалы сәуленің орталығындағы нүктеге жеткізілетін миллирентгендегі экспозиция мөлшері ретінде анықталады. құрылғы арқылы өтетін электрондар. Оның мәні құрылғының зарядталған бөлшектердің энергиясын рентген сәулелеріне айналдыру қабілетін білдіреді. Науқастың экспозициясын және кескінді анықтауға мүмкіндік береді. Тиімділік сияқты құрылғының тиімділігі де бірқатар факторларға байланысты, соның ішінде КВ, кернеу толқын пішіні, анод материалы мен бетінің зақымдалуы, сүзгі және пайдалану уақыты.

КВ басқару

KV рентген түтігінің шығысын тиімді басқарады. Әдетте, шығыс КВ квадратына пропорционалды деп есептеледі. КВ екі есе ұлғайту экспозицияны 4 есе арттырады.

Толқын пішіні

Толқын пішіні генерация кезінде уақыт бойынша КВ өзгеру жолын сипаттайдықуат көзінің циклдік сипатына байланысты сәулелену. Бірнеше түрлі толқын пішіндері қолданылады. Жалпы принцип: КВ пішіні неғұрлым аз өзгерсе, рентген сәулелері соғұрлым тиімдірек шығарылады. Заманауи жабдық салыстырмалы тұрақты КВ генераторларды пайдаланады.

Рентген түтіктері: өндірушілер

Oxford Instruments әртүрлі құрылғыларды, соның ішінде 250 Вт-қа дейінгі шыны құрылғыларды, 4-80 кВ потенциалды, 10 микронға дейінгі фокустық нүктені және Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian медициналық және өнеркәсіптік рентген түтіктерінің 400-ден астам түрін ұсынады. Басқа танымал өндірушілер: Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong және т.б.

Рентген түтіктері «Светлана-Рентген» Ресейде шығарылады. Айналмалы және стационарлық аноды бар дәстүрлі құрылғылардан басқа, компания жарық ағынымен басқарылатын суық катодты құрылғыларды шығарады. Құрылғының артықшылықтары келесідей:

• үздіксіз және импульстік режимдерде жұмыс істейді;
• инерциясыздық;
• Жарық диодты ток қарқындылығын реттеу;
• спектр тазалығы;
• әр түрлі қарқындылықтағы рентген сәулелерін алу мүмкіндігі.