Si tubave X-ray punë?

Rrezet X jane gjeneruar nga konvertimin energjinë e elektroneve në fotone, e cila ndodh në tub rreze-X. Sasia (ekspozimi) dhe cilësi (spektri) rrezatimi mund të rregullohet duke ndryshuar aktuale, tension dhe kohën e instrumentit.

Parimi i funksionimit

tubat me rreze X (foto dhënë në artikull) janë converters energjisë. Ata marrin atë nga rrjeti dhe të konvertohet në forma të tjera - thekshëm rrezatimit dhe ngrohjes, kjo e fundit është një efekt anësor i padëshiruar. X-ray pajisje tub tillë që maksimizon prodhimin e fotone dhe zhduket ngrohjes sa më shpejt të jetë e mundur.

Tubi është një pajisje relativisht e thjeshtë, zakonisht permban dy elemente bazike - një katodë dhe një anode. Kur aktuale rrjedh nga katodë në anode, elektronet humbasin energji, e cila çon në gjenerimin e X-rrezeve.

anodë

Anode është një komponent, ku shkarkimi i fotone lartë të energjisë prodhuar. Ky është një element relativisht masive metalike e cila është e lidhur me polin pozitiv të qark elektrik. Ajo ka dy funksione kryesore:

• Ai konverton energjinë elektroneve në X-ray rrezatimit,
• Ajo zhduket ngrohjes.

Materiali për anode është zgjedhur për të rritur këto funksione.

Në mënyrë ideale, shumica e elektroneve duhet të formojnë një fotone lartë të energjisë, në vend se të nxehtit. Raporti i energjisë së përgjithshme, e cila është konvertuar në X-rrezatimit (COP) varet nga dy faktorë:

• numër atomik (Z) e materialit anode,
• energjisë elektron.

Në shumicën e tubave x-ray, si një material i anode përdorur tungsten, numri atomik i të cilit është e barabartë me 74. Përveç Z të madhe, ky metali ka disa karakteristika të tjera të cilat e bëjnë atë të përshtatshme për këtë qëllim. Tungsten është unik në aftësinë e tij për të ruajtur forcën kur të nxehtë, ka një pikë të lartë të shkrirjes dhe një normë të ulët avullimit.

Për shumë vite, anode është bërë nga tungsten pastër. Në vitet e fundit, kemi filluar të përdorin këtë aliazh metalik me rhenium, por vetëm në sipërfaqe. Vetë anode nën shtresë tungsten-rhenium bërë nga materiale të lehta, të mirë të ngrohjes-ruajtje. Dy substanca të tilla janë molibden dhe grafit.

Tubi rreze-X të përdoret për mamografia, është bërë me anode, të veshura me molibden. Ky material ka një numër të ndërmjetëm atomike (Z = 42), e cila gjeneron fotone me energji karakteristike, të përshtatshme për regjistrimin e gjoksit. Disa pajisje mamografia gjithashtu kanë një anode të dytë, formuar nga rodium (Z = 45). Kjo bën të mundur për të rritur të energjisë dhe për të arritur depërtimin më të madh për zemrat e të dendura.

Përdorimi i aliazh tungsten-rhenium përmirëson afatgjatë prodhimit rrezatimit - me pajisjet e efikasitetit kohë me anode bërë nga tungsten pastër është reduktuar për shkak të dëmtimit termike në sipërfaqe.

Shumica e anode ka formën e disqeve tapered dhe fiksuar në bosht motorik, i cili rrotullohet ato me shpejtësi relativisht të larta në kohën e emetimit të X-rrezeve. Qëllimi i rrotullimit - heqja e nxehtësisë.

spot qendrore

Gjenerata Pjesa X-ray jo të gjithë anode. Kjo ndodh në një zonë të vogël të sipërfaqes së saj - vend fokale. Përmasat e fundit përcaktuar madhësinë e rreze elektron që vjen nga katodë. Në shumicën e Ajo ka një formë drejtkëndëshe ndryshon brenda 0.1-2 pajisjet mm.

X-ray tub projektimit me një madhësi të caktuar vend fokale. Sa më e vogël ajo është, më pak turbullira lëvizje dhe mprehtësi më të lartë, dhe çfarë është më tepër, shpërndarje më të mirë të ngrohjes.

Madhësia Focal spot është një faktor që duhet të merren parasysh kur zgjedh tub X-ray. Prodhuesit prodhojnë pajisje me vend të vogël qendrore, ku është e nevojshme për të arritur rezolucion të lartë dhe rrezatimi mjaft i vogël. Për shembull, është e nevojshme në studimin e pjesëve të vogla dhe delikate të trupit si në mamografia.

Tub X-ray kryesisht prodhojnë spote fokale me dy madhësi - të mëdha dhe të vogla, të cilat mund të zgjidhen nga operatori, në përputhje me procedurën e formimit të imazhit.

katodë

Funksioni kryesor i katodë - për të gjeneruar elektronet dhe mbledhjen e tyre në një rreze drejtuar anode. Ajo në përgjithësi përbëhet nga një tel të vogël spirale (hollë) ngulitur në një pushim filxhan-formë.

Elektronet kalojnë nëpër qark normalisht nuk mund të largohet nga dirigjent dhe të lënë një hapësirë të lirë. Megjithatë, ata mund ta bëjë këtë, në qoftë se ata marrin energji të mjaftueshme. Në procesin e njohur si emisionit termike, nxehtësia e përdorur për të dëbuar elektronet nga katodë. Kjo bëhet e mundur kur presioni në një tub evakuuar x rrezeve arrin 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. Art. Fill është ndezur në të njëjtën mënyrë si një spirale llambë fije e hollë duke kaluar një neper te tanishme. Punë tub rreze katodë është i shoqëruar nga ngrohja me një temperaturë luminescence zhvendosje energjisë termike andej elektroneve.

tullumbace

Anode dhe katodë janë të përfshira në një strehim të mbyllur - cilindër. Tullumbace dhe përmbajtja e saj janë shpesh të referuara si një insert, e cila ka një jetë të kufizuar dhe mund të zëvendësohet. Tub x-ray në përgjithësi kanë një llambë xhami, edhe pse metali dhe qeramike cilindra të përdoret për disa aplikacione.

Funksioni kryesor është të mbështesë enë dhe izolimin e anode dhe katodë, dhe ruajtjen vakum. Presioni në tubin evakuuar rreze X në 15 ° C është 1.2 x 10 ^-3 PA. Prania e gazit në tank do të lejojë të energjisë elektrike të rrjedhin përmes pajisjes lirshëm, jo vetëm në formën e një rreze elektron.

strehim

X-ray tub aparat të tilla që, përveç mbyllje dhe mbështetjen e komponentëve të tjerë, ajo shërben si një organ mburojë dhe thith rrezatimit, përveç rreze të dobishme që kalon përmes dritares. Sipërfaqja e tij relativisht e madhe e jashtme zhduket më të madhe të nxehtësisë së gjeneruar në pajisje. Hapësira në mes të shell dhe futur është e mbushur me vaj që siguron izolimin dhe ftohje atë.

zinxhir

Qark elektrik lidh telefonin me një burim të energjisë, e cila është quajtur një gjenerator. Burimi është mundësuar nga rrjeti dhe konverton alternating aktuale për të drejtuar aktuale. Gjenerator gjithashtu ju lejon për të rregulluar disa parametra të zinxhirit:

• KV - tension ose potencial elektrik;
• MA - i tanishëm i cili rrjedh përmes tub;
• S - Kohëzgjatja ose ekspozimi kohë, në fraksionet e një të dytë.

Qarku siguron lëvizjen e elektronesh. Ata janë të ngarkuar me energji, duke kaluar nëpër gjenerator, dhe t'i jepte për anode. Si lëvizjen e tyre ndodh dy transformime:

• energjia potenciale elektrike është konvertuar në energji kinetike;
• kinetike, nga ana tjetër, është konvertuar në rrezatim X-ray dhe ngrohjes.

potencial

Kur elektronet arrijnë në balonë, ata posedojnë energjinë potenciale elektrike, e cila është përcaktuar nga sasia e tensionit KV midis anode dhe katodë. Tub X-ray ishte operuar në një tension të gjeneruar 1 kV të cilën çdo grimcë duhet të ketë 1 Kev. Duke rregulluar KV, operatori jep çdo elektron është një sasi të caktuar të energjisë.

kinetikë

presionit të ulët në një tub evakuuar x rrezeve (at 15 ° C është 10 ^-6 -10 ^-7 Torr. V.) lejon grimcat nën veprimin e emetimit dhe forcës thermionic elektrik emetuar nga katodë deri anode. Kjo forcë përshpejton ato, duke rezultuar në rritjen e shpejtësisë dhe të energjisë kinetike dhe duke zbritur potencial. Kur një grimcë tokat në anode, potenciali i saj është e humbur, dhe të gjithë energjinë e saj është konvertuar në energji kinetike. 100-keV elektron arrin një shpejtësi më të madhe se gjysma shpejtësi të dritës. Duke goditur sipërfaqen e grimcës është ngadalësuar shumë shpejt dhe humbin energjinë e tyre kinetike. Ajo kthehet për të rrezeve X ose nxehtësisë.

Elektronet vijnë në kontakt me atomet individuale të materialit anode. Rrezatimi i gjeneruar nga ndërveprimin e tyre me orbitalet (rreze X fotone), dhe me një bërthamë (bremsstrahlung).

energjisë detyrueshme

Secili elektron në një atom ka një energji të caktuar të detyrueshme, e cila varet nga madhësia e këtij të fundit dhe niveli në të cilin grimcë është e vendosur. Energjia detyrueshme luan një rol të rëndësishëm në gjenerimin e karakteristike X-rrezeve dhe është i nevojshëm për të hequr një elektron nga një atom.

bremsstrahlung

Bremsstrahlung prodhon numrin më të madh të fotoneve. Elektronet depërtuar në material anode dhe zgjeruar në afërsi të bërthamës, shmang dhe ngadalësuar atom gravitetit force. Energjia e tyre humbi gjatë këtij takimi shfaqet në formën e X-ray foton.

Gama e

Vetëm fotone disa kanë një afër energjisë në energji elektronike. Pjesa më e madhe e tyre është më e ulët. Marrë përsipër që ka një hapësirë ose fushë rrethon berthame, ku elektrone eksperiencë force "frenim". Kjo fushë mund të ndahet në zona. Kjo i jep një pamje të bërthamës në terren e atomit të synuar në qendër. Electronic bie kudo në objektiv është ngadalësuar dhe gjeneron një foton X-ray. Grimcat që bien më afër në qendër, janë më të ekspozuar dhe prandaj humbasin energjinë më të madhe, duke prodhuar shumë e fotone të lartë të energjisë. Elektronet hyjnë në zonën e jashtme përjetuar një ndërveprim të dobët dhe të gjenerojë fotone të energjisë më të ulët. Edhe pse këtë zonë kanë të njëjtën gjerësi, se ata kanë një zonë të ndryshme në varësi të distancës nga bërthama. Që nga numri i grimcave incidentit në zonën e, varet nga zonën e saj të përgjithshme, është e qartë se zona e jashtme të kapur më shumë elektrone dhe të shkaktojë më shumë fotone. energjisë X-ray spektrit mund të parashikohet me këtë model.

E fotonet _max spektër kryesor bremsstrahlung korrespondon E elektroneve _max. Më poshtë këtë pikë, me rënie energji foton rrit numrin e tyre.

Një numër i konsiderueshëm i fotone të energjisë të ulët të absorbohet ose filtruar, si ato përpjekje për të kaluar nëpër sipërfaqen e tubit anode ose kuti filtër. Filtrimi është përgjithësisht e varur në përbërjen dhe trashësisë së materialit të cilat rrezja kalon, dhe kjo përcakton formën finale e kurbë spektrit ulët të energjisë.

ndikimi KV

Pjesa me energji të lartë të spektrit përcakton tubat e x-ray tensionit në kV (kilovolt). Kjo është për shkak se ajo përcakton energjinë e elektroneve duke arritur të anode, dhe fotonet nuk mund të ketë potencial më të madhe se kjo. Nën çdo tension running X-ray tub? energjia maksimale foton korrespondon me potencialin maksimal aplikohet. Ky tension mund të ndryshojnë gjatë ekspozimit për shkak të rrjetit aktual alternuara. Në këtë rast, E _max tensionit të pikut përcaktohen me foton luhatje periudhë KV _f.

Më tej kuantet potencial, KV _p përcakton sasinë e rrezatimit të krijuara nga një numër të caktuar të elektroneve duke arritur anode. Që nga efikasiteti i përgjithshëm i rrezatimit bremsstrahlung është rritur me rritjen e energjisë elektron incident, i cili është përcaktuar KV _p, kjo nënkupton se KV _p ndikon në efikasitetin e pajisjes.

Ndryshimin KV _p, zakonisht ndryshojnë spektrin. Sipërfaqja e përgjithshme nën kurbë të energjisë paraqet numrin e fotoneve. Spektri pafiltruar është një trekëndësh, dhe sasia e rrezatimit në raport me KV katror. Në praninë e filtrit gjithashtu rrit KV rritjen e depërtimit të fotoneve, e cila redukton përqindjen e rrezatimit filtruar. Kjo çon në rritjen e rendimentit rrezatimit.

rrezatimi karakteristike

Lloji i ndërveprimit që gjeneron rrezatim karakteristike përbëhet përplasje me shpejtësi të lartë me elektronet orbitale. Bashkëveprimi mund të ndodhë vetëm kur një pjesë E _e grimcës është më e madhe se energjia e detyrueshme e një atomi. Kur ky kusht është plotësuar, dhe ka një përplasje, elektron është rrëzuan. Kjo lë pozicion të hapur, mbushur nga grimcë nivel më të lartë të energjisë. Si ne shkojmë elektron jep energjinë e lëshuar në formën e X-ray foton. Ajo quhet rrezatimi karakteristik, pasi E është foton karakteristike element kimik nga e cila anode është bërë. Për shembull, kur një elektron është trokiti K tungsten _lidhje shtresë me E = 69.5 keV, vendi mbushet me një elektron nga _komunikim nivelit L me E = 10.2 keV. Karakteristike X-ray foton ka energji të barabartë me diferencën midis dy niveleve, ose 59.3 keV.

Në fakt, materiali anode të çon në një numër të karakteristike energjive X-ray. Kjo ndodh sepse elektronet në nivele të ndryshme të energjisë (K, L, etj) mund të rrëzuan bombardojnë grimcat dhe vendet e lira mund të jetë e mbushur me një shumëllojshmëri të niveleve të energjisë. Ndërsa vendet e lira L-nivelit gjeneron fotone dhe energjitë e tyre janë shumë të vogla për përdorim në të imazhit diagnostike. Çdo energjia karakteristike është dhënë një përcaktim që tregon syrit, ku një vend i lirë, me një indeks që tregon një burim elektron kërkuar. alpha (α) tregon indeksi i mbushjes elektron nga nivelit L dhe beta (β) tregon nivelin mbushje e M ose N.

• Spektër tungsten. Rrezatimi karakteristikë e metalit prodhon një spektër lineare përbërë nga disa energjive diskrete dhe frenimit gjeneron shpërndarje të vazhdueshme. Numri i fotoneve të krijuara nga çdo energji karakteristike, karakterizuar në atë që probabiliteti i Plotësimi i vendit vakant K-nivelit varet nga syrit.
• Spektri molibden. Anodes e këtij metali të përdorura për mamografia, prodhuar dy mjaft intensive karakteristike x-ray të energjisë: K-alfa në 17.9 keV dhe K-beta në 19.5 keV. Varg optimal i tubave me rreze X, e cila lejon për të arritur ekuilibrin më të mirë në mes të kundërt dhe dozë rrezatim për madhësinë mesatare e gjirit arritur në E _p = 20 keV. Megjithatë bremsstrahlung të prodhojë më shumë energji. Në pajisje mamografia për heqjen e pjesëve të padëshiruar të spektrit të përdorur molibden filtër. Filtri punon në parimin e «K-buzë." Ajo thith rrezatimin në elektron të tepërt të energjisë të detyrueshme në atom molibden nivelit K.
• Spektri i rodium. Rodium ka numër atomik 45, dhe molibden - 42. Prandaj, karakteristikë X-rrezet e një anode rodium do të ketë një energji pak më të lartë se ajo e molibden dhe më depërtuese. Ajo është përdorur për të imazhit zemrat e dendura.

Anodes me zonat e dyfishtë sipërfaqësore, molibden, rodium, mundësojnë operatorit për të zgjedhur një shpërndarje optimizuar për zemrat e madhësi të ndryshme dhe dendësia.

Efekti mbi KV spektrit

Vlera KV ndikon në masë të madhe rrezatimi karakteristike, dmth. K. Kjo nuk do të prodhohen nëse më pak kV elektronet e nivelit K-energjisë. Kur KV tejkalon këtë vlerë pragut, sasia e rrezatimit në përgjithësi është në proporcion me diferencën dhe pragu KV tub KV.

Spektri energjia e fotone të rrezeve X rrezes emetuar nga pajisja është e vendosur nga disa faktorë. Si rregull, ajo përbëhet nga bremsstrahlung dhe ndërveprimit karakteristike.

Përbërja relative e spektrit varet nga materiali anode, KV dhe filtër. Në një tub me një karakteristikë të emetimit tungsten anode nuk është formuar në KV <69,5 keV. Në vlerat më të larta të HF përdorura në studimet diagnostikuese, rrezatimi karakteristikë rrit rrezatimin e përgjithshëm për 25%. Pajisjet molibden ajo mund të arrijë një pjesë të madhe të kapacitetit total gjenerues.

efikasitet

Vetëm një pjesë e vogël e energjisë së dorëzuar nga elektronet është konvertuar në rrezatim. Fraksioni kryesor është zhytur dhe të konvertohet në nxehtësi. efikasitet rrezatim përcaktohet si pjesë e totalit rrezatuar energji nga elektrik përgjithshme dhene anode. Faktorët që përcaktojnë efikasitetin e tub X-ray aplikohen KV tensionit dhe numër atomik Z. raporti përafërt nga sa vijon:

• Efikasitet = KV x Z x 10 ^-6.

Marrëdhëniet në mes të efikasitetit dhe KV ka një efekt të veçantë për përdorimin praktik të pajisjeve me rreze X. Për shkak të prodhimit të ngrohjes e tubit të ketë një kufi mbi numrin e energjisë elektrike që ata mund të zhduket. Ajo vendos në kapacitetin e limitit pajisjes. Me rritjen e KV, megjithatë, sasia e rrezatimit të prodhuar nga një nga të nxehtit rrit ndjeshëm.

Varësia e efikasitetit të brezit X-ray në përbërjen e anode është vetëm interes akademik për shkak se shumica e pajisjeve të përdorura tungsten. Një përjashtim është molibden dhe rodium, e përdorur në mamografi. Efikasiteti i këtyre pajisjeve është dukshëm më e ulët për tungsten, për shkak të numrit të tyre të ulët atomike.

efikasitet

Efikasitet rreze-X tub është përcaktuar si sasia e rrezatim millirentgenah të dhënë në një pikë në qendër të traut dobishëm në një distancë prej 1 metër nga pika qendrore për secili 1 MAS elektroneve që kalojnë përmes të pajisjes. vlera e saj përfaqëson aftësinë e pajisjes për të konvertuar energjinë e grimcave të ngarkuara në të rrezatimit X me puder. Kjo ju lejon për të përcaktuar ekspozimin e pacientit, dhe fotografi. Si efikasitetit, efikasiteti i pajisjes varet nga disa faktorë, duke përfshirë KV, formojnë valë tensionit, materiale anode dhe shkallën e dëmtimit të sipërfaqes të pajisjes filtër dhe kohën e përdorimit.

KV-menaxhimit

Voltage KV X-ray tube efektivisht kontrollon rrezatimit prodhimit. Si rregull, është supozuar se prodhimi është proporcional me katrorin e KV. Dyfishuar ekspozimin KV rritet 4 herë.

waveform

Waveform përshkruan metodën me të cilën KV ndryshon me kohën gjatë gjenerimin e rrezatimit për shkak të natyrës ciklike të pushtetit. Përdorur disa waveforms ndryshme. Parimi i përgjithshëm është: sa më i vogël ndryshimi në formë të KV, rrezatimi X-ray është prodhuar në mënyrë efikase. Pajisje moderne e përdorur gjeneratorë me KV relativisht konstante.

tubat me rreze X: Manufacturers

Oxford Instruments Kompania prodhon pajisje të ndryshme, duke përfshirë qelqi, pushtet deri 250 W, potencial 4-80 kV, të fokale spot 10 mikron dhe një gamë të gjerë të materialeve anode, t. H. Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian ofron mbi 400 lloje të ndryshme të tubave me rreze X mjekësore dhe industriale. Prodhuesit të tjera të njohura janë Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong et al.

Në Rusi prodhuar tuba X-ray "Svetlana-rëntgen". Përveç pajisjeve tradicionale me rotacion dhe kompani stacionare anode prodhon pajisje të katodë të ftohtë fluksit që shkëlqen kontrolluar. Përfitimet e pajisjeve të mëposhtme:

• punojnë në një të vazhdueshme dhe pulsi modes;
• mungesa e inerci;
• rregullimin intensitetin e LED aktual;
• pastërti spektër;
• mundësia e X-ray rrezatimit të ndryshme intensiteti.