Kako rade rendgenske cijevi?

2024 Autor: Curtis Blomfield | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-15 09:33

X-zrake se stvaraju pretvaranjem energije elektrona u fotone, što se odvija u rendgenskoj cijevi. Količina (izloženost) i kvalitet (spektar) zračenja može se podesiti promjenom struje, napona i vremena rada uređaja.

Princip rada

Rentgenske cijevi (fotografija je data u članku) su pretvarači energije. Oni ga uzimaju iz mreže i pretvaraju u druge oblike - prodorno zračenje i toplinu, pri čemu je potonja nepoželjan nusproizvod. Dizajn rendgenske cijevi je takav da maksimizira proizvodnju fotona i rasipa toplinu što je brže moguće.

Cijev je relativno jednostavan uređaj, obično sadrži dva osnovna elementa - katodu i anodu. Kada struja teče od katode do anode, elektroni gube energiju, što rezultira stvaranjem X-zraka.

Anoda

Anoda je komponenta koja emitujefotona visoke energije. Ovo je relativno masivan metalni element koji je spojen na pozitivni pol električnog kola. Obavlja dvije glavne funkcije:

• pretvara energiju elektrona u x-zrake,
• odvodi toplinu.

Anodni materijal je odabran da poboljša ove funkcije.

U idealnom slučaju, većina elektrona treba da formira fotone visoke energije, a ne toplotu. Deo njihove ukupne energije koji se pretvara u X-zrake (efikasnost) zavisi od dva faktora:

• atomski broj (Z) anodnog materijala,
• energija elektrona.

Većina rendgenskih cijevi koristi volfram kao anodni materijal, koji ima atomski broj 74. Osim što ima veliki Z, ovaj metal ima još neke karakteristike koje ga čine pogodnim za ovu svrhu. Volfram je jedinstven po svojoj sposobnosti da zadrži snagu kada se zagreje, ima visoku tačku topljenja i nisku stopu isparavanja.

Dugi niz godina, anoda je napravljena od čistog volframa. Poslednjih godina počela je da se koristi legura ovog metala sa renijumom, ali samo na površini. Sama anoda ispod volfram-renijumskog premaza je napravljena od laganog materijala koji dobro skladišti toplotu. Dvije takve supstance su molibden i grafit.

Rentgenske cijevi koje se koriste za mamografiju napravljene su od anode obložene molibdenom. Ovaj materijal ima srednji atomski broj (Z=42) koji generiše karakteristične fotone sa energijama pogodnim zaza slikanje grudi. Neki mamografski uređaji imaju i drugu anodu od rodijuma (Z=45). Ovo vam omogućava da povećate energiju i postignete veću penetraciju za zategnute grudi.

Upotreba legure renijum-volfram poboljšava dugotrajno zračenje - tokom vremena, efikasnost čistog volfram anodnog uređaja opada zbog termičkog oštećenja površine.

Većina anoda je oblikovana kao zakošeni diskovi i pričvršćene su na osovinu elektromotora koja ih rotira relativno velikom brzinom dok emituje rendgenske zrake. Svrha rotacije je uklanjanje topline.

Focal spot

Nije cijela anoda uključena u stvaranje X-zraka. Javlja se na maloj površini njegove površine - žarišnoj tački. Dimenzije potonjeg određuju se dimenzijama snopa elektrona koji dolazi sa katode. U većini uređaja ima pravougaoni oblik i varira između 0,1-2 mm.

Rentgenske cijevi su dizajnirane sa specifičnom veličinom žarišne točke. Što je manji, slika je manje zamućena i oštrija, a što je veća, to je bolje rasipanje topline.

Veličina žarišne tačke je jedan od faktora koji treba uzeti u obzir pri odabiru rendgenskih cijevi. Proizvođači proizvode uređaje sa malim žarišnim tačkama kada je potrebno postići visoku rezoluciju i dovoljno nisko zračenje. Na primjer, ovo je potrebno kod pregleda malih i tankih dijelova tijela, kao kod mamografije.

Rentgenske cijevi se uglavnom proizvode sa dvije veličine žarišne točke, velikom i malom, koje operater može odabrati prema proceduri snimanja.

Cathode

Glavna funkcija katode je da generiše elektrone i skupi ih u snop usmeren na anodu. Po pravilu se sastoji od male žičane spirale (navoja) uronjene u udubljenje u obliku čaše.

Elektroni koji prolaze kroz kolo obično ne mogu napustiti provodnik i otići u slobodan prostor. Međutim, oni to mogu učiniti ako dobiju dovoljno energije. U procesu poznatom kao toplotna emisija, toplota se koristi za izbacivanje elektrona sa katode. Ovo postaje moguće kada pritisak u evakuiranoj rendgenskoj cijevi dostigne 10^-6–10^{-7 mmHg. Art. Žarnica se zagrijava na isti način kao nit žarulje sa žarnom niti kada kroz nju prolazi struja. Rad rendgenske cijevi je praćen zagrijavanjem katode do užarene temperature uz pomicanje dijela elektrona iz nje toplinskom energijom.}

Balon

Anoda i katoda se nalaze u hermetički zatvorenoj posudi. Balon i njegov sadržaj često se nazivaju umetkom, koji ima ograničen vijek trajanja i može se zamijeniti. Rendgenske cijevi uglavnom imaju staklene sijalice, iako se za neke primjene koriste metalne i keramičke sijalice.

Glavna funkcija balona je pružanje potpore i izolacije za anodu i katodu, te održavanje vakuuma. Pritisak u evakuiranoj rendgenskoj cijevina 15°C je 1,2 10-3 Pa. Prisustvo gasova u balonu omogućilo bi struji da slobodno teče kroz uređaj, a ne samo u obliku elektronskog snopa.

Slučaj

Dizajn rendgenske cijevi je takav da, osim što zatvara i podržava druge komponente, njeno tijelo služi kao štit i apsorbira zračenje, osim korisnog snopa koji prolazi kroz prozor. Njegova relativno velika vanjska površina odvodi veliki dio topline koja se stvara unutar uređaja. Prostor između karoserije i umetka je ispunjen uljem za izolaciju i hlađenje.

Lanac

Električno kolo povezuje cijev sa izvorom energije koji se zove generator. Izvor prima struju iz mreže i pretvara naizmjeničnu struju u jednosmjernu. Generator vam takođe omogućava da podesite neke parametre kola:

• KV - napon ili električni potencijal;
• MA je struja koja teče kroz cijev;
• S – trajanje ili vrijeme ekspozicije, u dijelovima sekunde.

Kolo obezbeđuje kretanje elektrona. Oni se pune energijom, prolazeći kroz generator, i daju je anodi. Kako se kreću, javljaju se dvije transformacije:

• potencijalna električna energija se pretvara u kinetičku energiju;
• kinetika se zauzvrat pretvara u x-zrake i toplotu.

Potencijal

Kada elektroni uđu u sijalicu, oni imaju potencijalnu električnu energiju, čija je količina određena naponom KV između anode i katode. Rendgenska cijev radipod naponom, za stvaranje 1 KV od kojih svaka čestica mora imati 1 keV. Podešavanjem KV, operater svakom elektronu daje određenu količinu energije.

Kinetika

Nizak pritisak u evakuiranoj rendgenskoj cijevi (na 15°C iznosi 10^-6–10^{-7 mmHg.) omogućava česticama da izlete sa katode na anodu pod dejstvom termoionske emisije i električne sile. Ova sila ih ubrzava, što dovodi do povećanja brzine i kinetičke energije i smanjenja potencijala. Kada čestica udari u anodu, njen potencijal se gubi i sva njena energija se pretvara u kinetičku energiju. Elektron od 100 keV dostiže brzine veće od polovine brzine svjetlosti. Udarajući o površinu, čestice se vrlo brzo usporavaju i gube svoju kinetičku energiju. Pretvara se u rendgenske zrake ili toplinu.}

Elektroni dolaze u kontakt sa pojedinačnim atomima anodnog materijala. Zračenje nastaje kada su u interakciji sa orbitalama (rendgenski fotoni) i sa jezgrom (kočno zračenje).

Link Energy

Svaki elektron unutar atoma ima određenu energiju vezivanja, koja zavisi od veličine potonjeg i nivoa na kojem se čestica nalazi. Energija vezivanja igra važnu ulogu u stvaranju karakterističnih rendgenskih zraka i neophodna je za uklanjanje elektrona iz atoma.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung proizvodi najveći broj fotona. Elektroni koji prodiru u materijal anode i prolaze blizu jezgra se odbijaju i usporavajusila privlačenja atoma. Njihova energija izgubljena tokom ovog susreta pojavljuje se kao rendgenski foton.

Spectrum

Samo nekoliko fotona ima energiju blisku onoj elektrona. Većina njih je niža. Pretpostavimo da postoji prostor ili polje koje okružuje jezgro u kojem elektroni doživljavaju "kočnu" silu. Ovo polje se može podijeliti na zone. Ovo daje polju jezgra izgled mete sa atomom u centru. Elektron koji udari u bilo koju tačku mete doživljava usporavanje i stvara rendgenski foton. Čestice koje udare najbliže centru su najviše pogođene i stoga gube najviše energije, proizvodeći fotone najveće energije. Elektroni koji ulaze u vanjske zone doživljavaju slabije interakcije i stvaraju niže energetske kvante. Iako zone imaju istu širinu, one imaju različitu površinu u zavisnosti od udaljenosti do jezgra. Pošto broj čestica koje padaju na datu zonu zavisi od njene ukupne površine, očigledno je da vanjske zone hvataju više elektrona i stvaraju više fotona. Ovaj model se može koristiti za predviđanje energetskog spektra rendgenskih zraka.

E_max fotoni glavnog spektra kočnog zračenja odgovara E_{max elektronima. Ispod ove tačke, kako se energija fotona smanjuje, njihov broj se povećava.}

Značajan broj fotona niske energije se apsorbuje ili filtrira dok pokušavaju da prođu kroz površinu anode, prozor cevi ili filter. Filtracija općenito ovisi o sastavu i debljini materijala kroz koji se koristisnop prolazi, što određuje konačni oblik niskoenergetske krive spektra.

KV Influence

Visokoenergetski dio spektra određen je naponom u rendgenskim cijevima kV (kilovolt). To je zato što on određuje energiju elektrona koji dođu do anode, a fotoni ne mogu imati potencijal veći od ovog. S kojim naponom radi rendgenska cijev? Maksimalna energija fotona odgovara maksimalnom primijenjenom potencijalu. Ovaj napon se može promeniti tokom ekspozicije usled naizmenične struje. U ovom slučaju, E_max fotona je određen vršnim naponom perioda oscilovanja KV_p.

Pored kvantnog potencijala, KV_p određuje količinu radijacije koju stvara dati broj elektrona koji udaraju u anodu. Budući da se ukupna efikasnost kočnog zračenja povećava zbog povećanja energije bombardirajućih elektrona, što je određeno KV_p, slijedi da je KV_{putiče na efikasnost uređaja.}

Promena KV_{p obično menja spektar. Ukupna površina ispod energetske krive je broj fotona. Bez filtera, spektar je trokut, a količina zračenja je proporcionalna kvadratu KV. U prisustvu filtera, povećanje KV takođe povećava prodiranje fotona, što smanjuje procenat filtriranog zračenja. Ovo dovodi do povećanja izlaznog zračenja.}

Karakteristično zračenje

Vrsta interakcije koja proizvodi karakteristikuzračenja, uključuje sudar elektrona velike brzine sa orbitalnim. Interakcija se može dogoditi samo kada dolazeća čestica ima E_k veću od energije vezivanja u atomu. Kada se ovaj uslov ispuni i dođe do sudara, elektron se izbacuje. U tom slučaju ostaje prazno mjesto koje popunjava čestica višeg energetskog nivoa. Kako se elektron kreće, on odaje energiju, koja se emituje u obliku rendgenskog kvanta. Ovo se naziva karakteristično zračenje, jer je E fotona karakteristika hemijskog elementa od kojeg je napravljena anoda. Na primjer, kada je elektron sa K-nivoa volframa sa E_vezom=69,5 keV nokautiran, prazno mjesto popunjava elektron sa L-nivoa sa E _{veza=10, 2 keV. Karakteristični rendgenski foton ima energiju jednaku razlici između ova dva nivoa, odnosno 59,3 keV.}

U stvari, ovaj materijal anode rezultira nizom karakterističnih energija X zraka. To je zato što elektroni na različitim energetskim nivoima (K, L, itd.) mogu biti uništeni bombardiranjem čestica, a prazna mjesta mogu biti popunjena sa različitih energetskih nivoa. Iako popunjavanje slobodnih mjesta na nivou L stvara fotone, njihove energije su preniske da bi se koristile u dijagnostičkom snimanju. Svaka karakteristična energija ima oznaku koja označava orbitalu u kojoj je nastalo prazno mjesto, s indeksom koji označava izvor popunjavanja elektrona. Indeks alfa (α) označava zauzetost elektrona sa L-nivoa, a beta (β) označavapunjenje sa nivoa M ili N.

• Spektar volframa. Karakteristično zračenje ovog metala proizvodi linearni spektar koji se sastoji od nekoliko diskretnih energija, dok kočni zrak stvara kontinuiranu distribuciju. Broj fotona proizvedenih od strane svake karakteristične energije razlikuje se po tome što vjerovatnoća popunjavanja praznine K-nivoa zavisi od orbitale.
• Spektar molibdena. Anode ovog metala koji se koriste za mamografiju proizvode dvije prilično intenzivne karakteristične rendgenske energije: K-alfa na 17.9 keV i K-beta na 19.5 keV. Optimalni spektar rendgenskih cijevi, koji omogućava postizanje najbolje ravnoteže između kontrasta i doze zračenja za grudi srednje veličine, postiže se pri E_{ph=20 keV. Međutim, kočni zrak se proizvodi pri visokim energijama. Mamografska oprema koristi molibdenski filter za uklanjanje neželjenog dijela spektra. Filter radi na principu "K-edge". Apsorbuje zračenje koje je veće od energije vezivanja elektrona na K-nivou atoma molibdena.}
• Spektar rodijuma. Rodijum ima atomski broj 45, dok molibden ima atomski broj 42. Stoga će karakteristična rendgenska emisija rodijumske anode imati nešto veću energiju od molibdena i prodornija je. Ovo se koristi za snimanje gustih grudi.

Molibden-rodijum anode sa dvostrukom površinom omogućavaju operateru da odabere distribuciju optimizovanu za različite veličine i gustine grudi.

Uticaj KV na spektar

Vrijednost KV u velikoj mjeri utječe na karakteristično zračenje, jer ono neće biti proizvedeno ako je KV manji od energije elektrona K-nivoa. Kada KV premaši ovaj prag, količina zračenja je općenito proporcionalna razlici između cijevi KV i praga KV.

Energetski spektar rendgenskih fotona koji izlaze iz instrumenta određen je nekoliko faktora. Po pravilu se sastoji od kočnog zračenja i karakterističnih kvanta interakcije.

Relativni sastav spektra zavisi od materijala anode, KV i filtera. U cijevi sa volframovom anodom ne proizvodi se karakteristično zračenje na KV< 69,5 keV. Kod viših CV vrijednosti koje se koriste u dijagnostičkim studijama, karakteristično zračenje povećava ukupno zračenje do 25%. U uređajima od molibdena, on može činiti veliki dio ukupne generacije.

efikasnost

Samo mali dio energije koju isporučuju elektroni pretvara se u zračenje. Glavni dio se apsorbira i pretvara u toplinu. Efikasnost zračenja se definira kao udio ukupne energije zračenja od ukupne električne energije prenesene anodi. Faktori koji određuju efikasnost rendgenske cijevi su primijenjeni napon KV i atomski broj Z. Primjer odnosa je sljedeći:

Efikasnost=KV x Z x 10-6.

Odnos između efikasnosti i KV ima specifičan uticaj na praktičnu upotrebu rendgenske opreme. Zbog oslobađanja topline, cijevi imaju određeno ograničenje količine električne energijeenergiju koju mogu da rasipaju. Ovo nameće ograničenje snage uređaja. Kako se KV povećava, međutim, količina zračenja proizvedene po jedinici toplote značajno raste.

Zavisnost efikasnosti generisanja rendgenskih zraka o sastavu anode je samo od akademskog interesa, pošto većina uređaja koristi volfram. Izuzetak su molibden i rodij koji se koriste u mamografiji. Efikasnost ovih uređaja je mnogo niža od volframa zbog njihovog nižeg atomskog broja.

efikasnost

Efikasnost rendgenske cijevi definira se kao količina ekspozicije, u milirentgenima, dostavljena do tačke u centru korisnog snopa na udaljenosti od 1 m od žarišne točke za svaki 1 mAs od elektrona koji prolaze kroz uređaj. Njegova vrijednost izražava sposobnost uređaja da pretvara energiju nabijenih čestica u rendgenske zrake. Omogućava vam da odredite ekspoziciju pacijenta i sliku. Kao i efikasnost, efikasnost uređaja zavisi od brojnih faktora, uključujući KV, talasni oblik napona, materijal anode i oštećenja površine, filter i vreme upotrebe.

KV kontrola

KV efektivno kontroliše izlaz rendgenske cijevi. Općenito se pretpostavlja da je izlaz proporcionalan kvadratu KV. Udvostručenje KV povećava ekspoziciju za 4x.

Waveform

Talasni oblik opisuje način na koji se KV mijenja tokom vremena tokom generacijeradijacije zbog ciklične prirode napajanja. Koristi se nekoliko različitih valnih oblika. Opšti princip je da što se manje menja oblik KV, to se efikasnije proizvode rendgenski zraci. Moderna oprema koristi generatore sa relativno konstantnim KV.

Rentgenske cijevi: proizvođači

Oxford Instruments proizvodi razne uređaje, uključujući staklene uređaje do 250 W, potencijal 4-80 kV, žarišnu tačku do 10 mikrona i širok spektar anodnih materijala, uključujući Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian nudi preko 400 različitih tipova medicinskih i industrijskih rendgenskih cijevi. Ostali poznati proizvođači su Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, itd.

Rentgenske cijevi "Svetlana-Rentgen" se proizvode u Rusiji. Pored tradicionalnih uređaja sa rotirajućom i stacionarnom anodom, kompanija proizvodi uređaje sa hladnom katodom kontrolisanom svetlosnim tokom. Prednosti uređaja su sljedeće:

• radite u kontinuiranom i pulsnom modu;
• neinercija;
• regulacija intenziteta struje LED;
• čistoća spektra;
• mogućnost dobijanja rendgenskih zraka različitog intenziteta.