Рис. 1. Терапевтическая, рентгеновская трубка с массивным вольфрамовым анодом: 1 - катод; 2 - анод.
Рентгеновская трубка - электровакуумный прибор, предназначенный для получения рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении ускоренных электронов на экране антикатода (анода), изготовленного из тяжелого металла (например, вольфрама). Получение электронов, их ускорение и торможение осуществляется в самой рентгеновской трубке, представляющей вакуумированный стеклянный баллон, в который впаяны металлические электроды: катод (см.) - для получения электронов и анод (см.) - для их торможения (рис. 1). Для ускорения электронов к электродам подводится высокое напряжение.
Вильгельм Конрад Рентген
(Wilhelm Conrad Rontgen)
Первая рентгеновская трубка, с которой В. К. Рентген сделал свое открытие, была ионной. Рентгеновская трубка этого типа (хрупкие и трудноуправляемые) в настоящее время полностью вытеснены более совершенными электронными трубками. В них электроны получаются путем накаливания катода. Регулируя ток в цепи накала рентгеновской трубки, а следовательно, и температуру катода, можно изменять количество испускаемых катодом электронов. При низком напряжении не все испускаемые катодом электроны участвуют в создании анодного тока и у катода образуется так называемое электронное облако. При повышении напряжения электронное облако рассасывается и, начиная с определенного напряжения (напряжения насыщения), все электроны достигают анода. Через трубку при этом течет максимальный ток (ток насыщения). Напряжение на рентгеновской трубке обычно выше напряжения насыщения, поэтому возможно раздельно регулировать напряжение и ток Р. т.. Это означает, что жесткость излучения, определяемая напряжением, регулируется независимо от интенсивности, которая обусловлена анодным током.
Анод
рентгеновской трубки обычно выполняется в виде массивного медного чехла, обращенного к катоду скошенным торцом, чтобы выходящее рентгеновское излучение было перпендикулярно оси трубки. В толщу анода впаяна вольфрамовая пластинка в 2- (зеркало анода).
Катод
электронной рентгеновской трубки содержит тугоплавкую нить накала, обычно из вольфрама, которая выполнена в виде цилиндрической или плоской спирали и окружена металлическим стаканчиком для фокусирования пучка электронов на зеркале анода (фокусе рентгеновской трубки). В двухфокусных рентгеновских трубках катод содержит две нити накала.
При работе рентгеновской трубки на аноде выделяется большое количество тепла. Чтобы предохранить анод от перегрева и повысить мощность рентгеновской трубки, используются охлаждающие анод устройства: воздушное радиаторное, масляное, водяное охлаждение, охлаждение лучеиспусканием. В качестве материала оболочки рентгеновской трубки обычно применяют стекло, которое позволяет прикладывать к электродам достаточно высокое напряжение, пропускает рентгеновское излучение без заметного ослабления (для получения букки-лучей делают бериллиевые окна), достаточно прочно и непроницаемо для газов (вакуум в рентгеновской трубке 10-6- 10-7 мм рт. ст.). Диагностические рентгеновские трубки работают при максимальных напряжениях до 150 кв, терапевтические - до 400 кв.
Рис. 2. Линейчатый фокус диагностической рентгеновской трубки; 1 - зеркало анода; 2 - действительный фокус; 3 - анод; 4 - центральный луч; 5 - оптический фокус; 6 - ось трубки; 7 - катод.
Рис. 4. Фокус трубки с вращающимся дисковым анодом: 1 - действительный фокус; 2 - развертка действительного фокуса; 3 - мгновенный фокус; 4 - ось трубки; 5 — катод; 6 - оптический фокус; 7 - анод.
Резкость рентгеновского изображения обусловлена величиной фокуса. Основное требование к диагностическим рентгеновским трубкам - большая мощность при малом фокусе. Современные рентгеновские трубки имеют линейчатый фокус
размером 10-40 мм2, но практическое значение имеет не действительная величина фокуса, а его видимая проекция в направлении пучка, т. е. размеры эффективного оптического фокуса (рис. 2). При угле наклона анода 19° площадь эффективного фокуса в 3 раза меньше действительного, что позволяет увеличить мощность рентгеновской трубки в два раза. Дальнейшее увеличение мощности достигнуто в трубках с вращающимся анодом (рис. 3 и 4).
В настоящее время выпускают рентгеновские трубки различного назначения, отличающиеся как конструктивно, так и мощностью, способами охлаждения, защиты от излучения и высокого напряжения. Условное обозначение рентгеновской трубки представляет собой комбинацию букв и цифр. Первая цифра - мощность трубки в киловаттах; второй знак определяет род защиты (Р - защитная от излучения, Б - защитная от излучения и высокого напряжения, отсутствие буквы указывает на отсутствие защиты); третий знак
определяет назначение рентгеновской трубки (Д - диагностика, Т - терапия); четвертый - указывает способ охлаждения (К - воздушное радиаторное, М-масляное, В - воздушное, отсутствие буквы означает охлаждение лучеиспусканием); пятая цифра указывает максимальное анодное напряжение в киловольтах. Так, например, 6-РДВ-110 - шестикиловаттная защитная диагностическая трубка
с водяным охлаждением на 110 кв; трубка 1-Т-1-200-терапевтическая, без защиты, охлаждение лучеиспусканием, мощностью 1 кет на напряженно 200 кв (условный номер 1).
Рис. 3. Трубка с вращающимся дисковым анодом: 1 - катод; 2 - дисковый анод; 3 - защитный диск; 4 - ось анода; 5 - стальной цилиндр - ротор электродвигателя.
Каждую новую трубку перед пуском в работу необходимо проверить на вакуум, не включая накала. Если при этом появится розовое свечение или искра, рентгеновская трубка потеряла вакуум и к работе непригодна. Трубку, сохранившую вакуум, подвергают тренировке: устанавливают ток 1-2 ма при высоком напряжении порядка 1/3 от номинального и в течение 30- 60 мин. напряжение и ток постепенно повышают до значений длительного режима, указанного в паспорте рентгеновской трубки. При эксплуатации рентгеновской трубки необходимо строго придерживаться режимов работы, указанных в ее паспорте.
Рентгеновская трубка - это электровакуумное устройство, применяемое для генерирования рентгеновых лучей путем эмиссии электронов с катода, фокусировки
и ускорения их в электрическом поле высокого напряжения с последующим торможением электронного потока на зеркале анода. В результате торможения потока электронов на аноде рентгеновской трубки выделяется большое количество тепла и лишь незначительное количество этой энергии трансформируется в энергию рентгеновского излучения (см.).
Со времени открытия Рентгеном икс-лучей и до начала первой мировой войны для рентгенодиагностики и рентгенотерапии применялись так называемые ионные газосодержащие Р. т. (рис. 1), хрупкие и трудноуправляемые. Лилиенфельд (L. Lilienfeld) предложил более совершенную Р. т. с промежуточным электродом, накаливаемым катодом и водяным охлаждением (рис. 2). Однако высоковакуумная двухэлектродная Р. т., предложенная американцем Кулиджем (W. D. Coolidge), постепенно вытеснила все другие Р. т. и применяется в разных модификациях до настоящего времени.
Современная рентгеновская трубка
представляет собой высоковольтный вакуумный диод (с двумя электродами - катодом и анодом). Катод Р. т. содержит тугоплавкую нить накала, обычно из вольфрама. В двухфокусных диагностических рентгеновских трубках, предназначенных для разных режимов работы, катод содержит две нити накала для каждого из фокусов. Нити накала, как правило, выполнены в виде цилиндрической или плоской спирали (рис. 3, 1 и 2) соответственно для линейчатого или круглого фокуса.
Анод рентгеновской трубки обычно выполнен в виде массивного медного чехла, обращенного к катоду скошенным торцом, в толщу которого впаяна вольфрамовая пластинка толщиной 2-2,5 мм (зеркало анода), являющаяся мишенью, куда фокусируется поток электронов с катода, и представляющая, таким образом, рентгенооптический фокус трубки. Имеются Р. т. для специальных целей, например для внутриполостной рентгенотерапии (рис. 4), в которых анод является дном полого цилиндра, вводимого в соответствующую полость.
С целью повышения разрешающей способности современных диагностических трубок фокусу рентгеновской трубки уделяется большое внимание, так как чем острее фокус, тем резче рентгеновское изображение.
При оценке рентгенооптических свойств Р. т. следует учитывать, что решающее значение имеет не величина действительного фокуса на зеркале анода, а видимая проекция фокусного пятна в направлении центрального луча, т. е. размеры эффективного оптического фокуса. Уменьшение размеров оптического фокуса достигается уменьшением угла скашивания анода по отношению к центральному лучу.
В отличие от терапевтических Р. т. (рис. 5), снабженных круглым или в форме эллипса оптическим фокусом, современные диагностические трубки имеют так называемый линейчатый фокус (рис. 6). В трубках с линейчатым фокусом площадь эффективного фокуса, имеющего форму квадрата, примерно в 3 раза меньше площади действительного фокуса, имеющего форму прямоугольника. При одинаковых рентгенооптических свойствах мощность рентгеновской трубки с линейчатым фокусом примерно в 2 раза больше, чем у Р. т. с круглым фокусом.
Дальнейшее повышение мощности диагностических Р. т. достигнуто в трубках с вращающимся анодом (рис. 7 и 8). В этих рентгеновских трубках массивный вольфрамовый анод с линейчатым фокусом, растянутым по всей окружности, укреплен на оси, вращающейся в подшипниках, а катод трубки смещен относительно ее оси так, чтобы фокусированный пучок электронов попадал всегда на скошенную поверхность зеркала анода. При вращении анода пучок фокусированных электронов попадает на меняющийся участок фокуса анода, эффективная величина которого, т. е. оптический фокус, имеет благодаря этому весьма малые размеры (порядка 1X1 мм, 2,5X2,5 мм). Так как скорость вращения анода достаточно велика (анод является продолжением оси двигателя, вращающегося с угловой скоростью 2500 об/мин), мощность трубки при выдержках в 0,1 сек. может достигать 40-50 кВт.
Значительное количество тепла, образующегося на аноде работающей трубки, требует ее охлаждения путем отвода тепла с анода в окружающую среду. Это достигается путем воздушного радиаторного охлаждения (рис. 9), водяного охлаждения (рис. 10 и 11) или масляного охлаждения (рис. 12); масло является одновременно и изолирующей средой; масляное охлаждение обычно применяется в так называемых блок-аппаратах (см. Рентгенотехника).
В связи с многообразными запросами рентгенодиагностики и рентгенотерапии в настоящее время выпускаются рентгеновские трубки самого различного назначения, отличающиеся как конструктивным оформлением, так и величиной, мощностью, способами охлаждения и защиты от неиспользуемого излучения. Условные обозначения различных типов трубок состоят из комбинаций цифр и букв. Первая цифра - предельно допустимая мощность трубки (в кВт); первая буква определяет защиту от излучения (Р - самозащитная; Б - в защитном кожухе; отсутствие буквы означает отсутствие защиты); вторая буква определяет назначение Р. т. (Д - диагностика; Т - терапия); третья буква указывает систему охлаждения (К - воздушное радиаторное охлаждение, М - масляное, В - водяное, отсутствие буквы означает охлаждение лучеиспусканием); последняя цифра соответствует предельно допустимому анодному напряжению в киловольтах. Так, например, 3-БДМ-2-100 - трехкиловаттная диагностическая трубка с масляным охлаждением (радиаторным) на 100 кв для работы в защитном кожухе (условный номер типа - 2); трубка - 1-Т-1-200 - терапевтическая без защиты с охлаждением лучеиспусканием, мощностью 1 кет на напряжение 200 кв (условный номер типа - 1).
Независимо от типа рентгеновской трубки общий принцип их работы состоит в следующем. Накал катода Р. т. вызывает термоэлектронную эмиссию с образованием у катода так называемого электронного облака. С включением высокого напряжения на электродах Р. т. свободные электроны под действием электрического поля устремляются к аноду, тормозятся на его зеркале, причем часть энергии торможения преобразуется в рентгеновское излучение.
При повышении напряжения на рентгеновской трубке эмиссионный ток вначале круто возрастает за счет постепенного уменьшения плотности электронного облака. Когда же число электронов, образующихся на катоде, становится равным числу электронов, достигающих анода, дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока, проходящего через Р. т., а лишь увеличивает кинетическую энергию электронов, достигающих анода. Режим работы Р. т., при котором происходит использование всех электронов, образующихся на катоде, а дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения анодного тока, называется током насыщения. Практически ток насыщения i достигается в диагностических рентгеновских трубках при разности потенциалов? порядка 10-20 кв (рис. 13). Поэтому обычно Р. т. большей частью работают в режиме тока насыщения. При необходимости увеличить анодный ток следует соответственно увеличить ток накала катода и, подняв напряжение, снова создать режим тока насыщения.
В процессе промышленного производства из Р. т. удаляют газ до остаточного давления 10-6 -10-7 мм рт. ст. При этой степени вакуума прохождение тока через Р. т. практически обусловлено только термоэлектронной эмиссией с катода. Однако при чрезмерном нагреве деталей трубки, а также при включении ее после длительного перерыва в работе в ней может появиться газ; при этом возникает эффект ионизации; рентгеновская трубка начинает пропускать ток в обоих направлениях. Измерительные приборы на пульте управления обнаруживают резкие колебания анодного тока. Если такую «газящую» Р. т. включить под высокое напряжение без накала катода, в ней создается устойчивый газовый разряд, сопровождающийся характерным свечением трубки. Такая трубка к работе непригодна и подлежит замене.
Каждую новую Р. т. перед пуском в работу необходимо проверить на вакуум под высоким напряжением, не включая накала, затем подвергнуть «тренировке». Для этого при анодном напряжении порядка 1/3 от номинального устанавливают ток 1-2 мА. Затем в течение 30-60 мин. напряжение и ток постепенно повышают до номинальных значений длительного режима в соответствии с паспортом Р. т. При эксплуатации Р. т. необходимо строго придерживаться режимов работы, указанных в ее паспорте.
См. также Рентгеновские аппараты, Рентгеновское излучение.
Рис. 1. Ионная рентгеновская трубка с воздушным охлаждением и газовым регенератором.
Рис. 2. Рентгеновская трубка Лилиенфельда.
Рис. 3. Катоды двухфокусных электронных рентгеновских трубок: 1 - с двумя цилиндрическими спиралями нити накала; 2 - с двумя плоскими спиралями нити накала.
Рис. 4. Безопасная рентгеновская трубка
для внутриполостной рентгенотерапии: 1 - катод; 2 - анодная трубка; 3 - окно выхода рентгеновых лучей; 4 - анодный цоколь; 5 - водяная рубашка; 6 - патрубки охлаждения.
Рис. 5. Терапевтическая рентгеновская трубка с массивным вольфрамовым анодом: 1 - катод; 2 - анод.
Рис. 6. Схематическое изображение линейчатого фокуса диагностической рентгеновской трубки: 1 - зеркало анода; 2 - действительный фокус
; 3 - анод; 4 - центральный луч; 5 - оптический фокус; 6 - ось трубки; 7 - катод.
Рис. 7. Трубка с вращающимся дисковым анодом: 1 - катод; 2 - дисковый анод; 3 - защитный диск; 4 - ось анода; 5 - стальной цилиндр-ротор асинхронного электродвигателя.
Рис. 8. Схематическое изображение фокуса трубки с вращающимся дисковым анодом: 1 - действительный фокус; 2 - его развертка; 3 - мгновенный фокус; 4 - ось трубки; 5 - катод
; 6 - оптический фокус; 7 - анод.
Рис. 9. Трубка с радиаторным воздушным охлаждением.
Рис. 10. Анод трубки с водяным охлаждением: 1 - стержень анода; 2 - резервуар с охлаждающей водой.
Рис. 11. Анод
трубки, охлаждаемой проточной водой: 1 - соединительные трубки водяного охлаждения.
Рис. 12. Миниатюрная рентгеновская трубка с масляным охлаждением для рентгенографии зубов.
Рис. 13. Анодные характеристически электронной рентгеновской трубки: S’- при токе накала 3,8 a; S-при токе накала 3,4 а.
Введение.
Рентгеновские лучи были обнаружены случайно в 1895 году знаменитым немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Он изучал катодные лучи в газоразрядной трубке низкого давления при высоком напряжении между ее электродами. Несмотря на то, что трубка находилась в черном ящике, Рентген обратил внимание, что флуоресцентный экран, случайно находившийся рядом, всякий раз светился, когда действовала трубка.
Рентген определил, что газоразрядная трубка является источником нового вида невидимого излучения, обладающего большой проникающей способностью. Ученый не мог определить, было ли это излучение потоком частиц или волн, и он решил дать ему название X-лучи. В последствие их назвали рентгеновскими лучами.
Теперь известно, что X-лучи - вид электромагнитного излучения, имеющего меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые электромагнитные волны. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое - длинноволновым γ-излучением.
Длина волны X-лучей колеблется от 70 нм до 10 -5 нм . Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм ), называются мягкими . Длина волны 1 – 10нм характеризует жесткие X-лучи.
Теория возбуждения рентгеновского излучения.
Рентгеновские лучи – это электромагнитное излучение, которое возникает либо при торможении свободно движущейся заряженной частицы, либо при электронных переходах во внутренних оболочках атома.
В нормальном состоянии многоэлектронный атом представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное системой электронных оболочек от самой внутренней с главным квантовым числом n=1, до внешней с n, соответствующим данному элементу (максимальное значение n=7 соответствует концу таблицы периодической системы элементов). Оболочки обозначаются буквами K,L,M,N,O,P,Q в соответствии с ростом n, начиная от единицы. На каждой оболочке находится определенное число электронов в соответствии с принципом Паули. Следует отметить, что понятие “оболочка” более соответствует энергетическому понятию (которое можно заменить термином “уровень энергии”), чем координатному. В соответствии с квантовой механикой электроны в атоме как бы “размазаны” по объему с максимумом вероятности локализации на оболочке.
В нормальном состоянии атом не излучает и не поглощает энергию. Излучение, связанное с переходами во внутренних оболочках возможно лишь в случае, когда один или несколько внутренних электронов будут удалены. Любой электрон, принадлежащий внешней (по отношению к образовавшейся вакансии – “дырке”) оболочке, оказывается возбужденным. Это приводит к переходам с более высоких уровней на уровень вакансии с излучением рентгеновского кванта.
Если выбит K-электрон, то переходы на образовавшуюся вакансию с выше лежащих L,M,N... уровней образуют наиболее коротковолновую K- серию излучения. Аналогичный процесс наблюдается при переходах на вакансии L-уровней (L-серии), вакансии M-уровней (M-серии) и т.д. (рис 1)
Рис. 1. Схема рентгеновских уровней и переходов, образующих K, L, M, N серии. Kгр, Lгр, Mгр, Nгр - границы серий, соответствующие переходам в непрерывный спектр. n - главное квантовое число.
Устройство рентгеновской трубки.
Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка.
Рентгеновская трубка представляет собой двух-электродный ваккумный прибор (рис. 2.1). Подогревный катод 1 испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер атома в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом. Разность потенциалов между катодом и анодом (антикатодом), достигает несколько сотен киловольт. Электроны ускоряются электрическим полем в рентгеновской трубке. Поскольку в трубке очень небольшое число молекул газа, то электроны по пути к аноду практически не теряют своей энергии. Они достигают анода с очень большой скоростью. Часть энергии, не рассеивающая в форме тепла, превращается в энергию электромагнитных волн (рентгеновские лучи). Таким образом, рентгеновские лучи являются результатом бомбардировки электронами вещества анода.
Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте антикатода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис. 2.2).
Рис. 2.1 Рис. 2.2
По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое.
Тормозное излучение.
В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение.
Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.
При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения. На рис. 3 представлены зависимости потока рентгеновского излучения от длины волны λ (спектры) при разных напряжениях в рентгеновской трубке: U 1 < U 2 < U 3 .
Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле (1):
где U и I - напряжение и сила тока в рентгеновской трубке; Z - порядковый номер атома вещества анода; k - коэффициент пропорциональности.
В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение λ ηίη возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона.
, (2)
Эту формулу можно преобразовать в более удобное для практических целей выражение:
, (4)
где – длина волны в ангстремах, U – напряжение в кВ. Формула (4) соответствует рис. 3
Заметим, что на основе (3) разработан один из наиболее точных способов экспериментального определения постоянной Планка.
Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, как это видно из рис. 3 и формулы (4), и увеличивают жесткость.
Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. На рис. 4.1 показаны спектры тормозного рентгеновского излучения при одном напряжении, но при разной силе тока накала катода: I н1 < I н2 .
Спектры, полученные от разных антикатодов при одинаковых U и I H , изображены на рис. 4.2.
Рис. 4.1 Рис. 4.2
Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода. Как известно, энергия фотонов рентгеновских лучей определяет их частоту и длину волны. Поэтому тормозное рентгеновское излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром. По аналогии с белым светом его также называют белым рентгеновским излучением.
Для полного понимания значения всех факторов, влияющих на прцесс коррекции ошибок, читатель должен познакомиться с принципом работы рентгеновской трубки, генерирующей рентгеновское излучение. Рентгеновская трубка представляет собой стеклянную колбу, из которой откачан воздух. Внутри колбы находятся два основных элемента любой рентгеновской трубки: катод и анод. Катод является источником электронов, а анод представляет собой мишень, бомбардируемую пучком электронов с катода.
Как видно из рис.1, катод имеет форму чашки (фокусирующая чашка), в которой находится вольфрамовая спиральная нить накаливания. Под действием проходящего через нить электрического тока нить накаливается и испускает электроны.
Количество испускаемых электронов пропорционально величине электрического тока, проходящего через нить. Ток измеряется в миллиамперах (мА). Один миллиампер равен 1/1000 ампера (А). Таким образом величина тока (измеряемого в миллиамперах), проходящих через нить, определяет интенсивность рентгеновского излучения, испускаемого мишенью. Увеличение тока через нить (увеличение мА) приводит к увеличению количества испускаемых электронов, что, в свою очередь, ведет к увеличению интенсивности (количества рентгеновских квантов) рентгеновского излучения.
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая принцип действия рентгеновской трубки.
Фокусирующая чашка катода фокусирует электроны в пучок, направленный на мишень анода. Анод обычно изготавливается из меди, поскольку медь характеризуется высокой теплопроводностью и ее легче охлаждать. На лицевой стороне анода, обращенной к катоду, имеется массивная вольфрамовая пластина, называемая мишенью. Маленький участок мишени, в которую попадает пучок электронов, называется фокусным пятном. Этот участок является источником рентгеновского излучения. Большая часть энергии электронов, попадающих в мишень, преобразуется в тепло и лишь один процент превращается в рентгеновское излучение.
Катод заряжен отрицательно, анод — положительно. Напряжение между ними выражается в пиковых киловольтах и называется пиковым киловольтажем (кВп). Один киловольт равен 1000 Вольт. Величина напряжения (количество киловольт) определяет скорость пучка электронов. При увеличении напряжения ("киловольтажа") увеличивается скорость пучка электронов, бомбардирующих мишень, что, в свою очередь, ведет к увеличению энергии формируемого мишенью рентгеновского излучения (т.е. качества излучения).
Все органы управления элементами рентгеновской трубки расположены вне ее (снаружи) и подключены к катоду и аноду. Таймер контролирует время, в течение которого катод формирует пучок электронов. Полное количество электронов, образуемых катодом и достигающих анода, определяется произведением силы тока (в миллиамперах, мА) на длительность экспозиции в секундах (с), т.е. - (мА) х (с) или мАс.
Пучок рентгеновского излучения, облучающего объект, формируется специальным окошком, которое находится в металлическом кожухе, окружающем стеклянную колбу рентгеновской трубки. Этот пучок включает рентгеновское излучение разной длины волны и проникающей способности, определяемое величиной пикового киловольтажа (кВп), выбранного для данной экспозиции. Суммарное количество рентгеновского излучения в пучке на выходе рентгеновской трубки зависит оттока (мА), времени и выбранного пикового киловольтажа (кВп).
Длина волны рентгеновского излучения определяет его энергию, т.е. способность проникать внутрь объекта. Рентгеновское излучение с более короткой длиной волны, образуемое при более высоком значении кВп, обладает большей проникающей способностью по сравнению с рентгеновским излучением с большей длиной волны (менее энергетичное излучение). Рентгеновское излучение, прошедшее через объект, образует на пленке изображение. Пучок рентгеновского излучения, входящий в ткани пациента, характеризуется равномерным распределением интенсивности излучения в зависимости от длины волны.
Рентгеновское излучение, попавшее в ткани пациента, частично поглощается или проходит практически без поглощения в зависимости от того, что находится на пути пучка (ткани органов или кости). В результате на выходе из объекта излучения (пациента) возникает специфическая картина распределения интенсивности рентгеновского излучения (именуемое выборочным ослаблением излучения). Это распределение интенсивности рентгеновского излучения несет в себе всю диагностическую информацию о пациенте. Эта информация затем фиксируется на рентгеновской пленке (смотри рис. 2).
Зоны приоритетного внимания.
На фрагменте ортопантомограммы на фоне верхней трети длины корней зубов 11,12 и средней трети корня зуба 13 четко визуализируется ретинированный и дистопированный в горизонтальном направлении зуб, над которым определяется рентгенпрозрачный участок овальной формы с четкими ровными контурами.
Основная линия черепа должна быть параллельна, а средне сагиттальная плоскость перпендикулярна плоскости стола. Луч центрируют через темя на середину разметок. Переднюю аксиальную рентгенограмму трудно произвести у полных людей с короткой шеей.
Кариес составляет самую распространенную группу заболеваний зубов и характеризуется местным разрушением эмали, дентина и це-мента, что обусловливает рентгенологическую картину
Оценка технической правильности снимка по различным параметрам—правильности проекции, условий съемки и фотообработки, а при наличии погрешностей определение того, в чем они состоят, какими из них можно пренебречь, а какие требуют повтор ного исследования.
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.
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. 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.
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:
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:
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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:
Цепь обеспечивает движение электронов. Они заряжаются энергией, проходя через генератор, и отдают ее аноду. По мере их движения происходит два преобразования:
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.
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 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).
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 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.
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 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.
E max фотонов основного спектра тормозного излучения соответствует E max 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.
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 E max фотона определяется пиковым напряжением периода колебаний KV p .
Кроме потенциала квантов, KV p 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 KV p , то отсюда следует, что KV p влияет на КПД прибора.
Изменение KV p , 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.
Тип взаимодействия, который производит характеристическое излучение, включает столкновение высокоскоростных электронов с орбитальными. Взаимодействие может происходить только тогда, когда входящая частица обладает Е к 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 Е связи =69,5 кэВ, вакансия заполняется электроном из L-уровня с E связи =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.
Аноды с двойными участками поверхности, молибден-родиевыми, дают возможность оператору выбрать распределение, оптимизированное под молочные железы разного размера и плотности.
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.
Относительный состав спектра зависит от материала анода, KV и фильтра. В трубке с вольфрамовым анодом характеристическое излучение не образуется при KV< 69,5 кэВ. При более высоких значениях КВ, используемых в диагностических исследованиях, характеристическое излучение увеличивает суммарную радиацию до 25%. В молибденовых устройствах оно может составить большую часть общего объема генерации.
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:
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 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.
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.
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 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.
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:
Генератором рентгеновых лучей является рентгеновская трубка. Современная электронная трубка конструируется по единому принципу и имеет следующее устройство. Основой является стеклянная колба в виде шара или цилиндра, в концевые отделы которой впаяны электроды: анод и катод. В трубке создается вакуум, что способствует вылету электронов из катода и быстрейшему их перемещению.
Катод
представляет собой спираль из вольфрамовой (тугоплавкой) нити, которая укрепляется на молибденовых стержнях и помещается в металлический колпак, направляющий поток электронов в виде узкого пучка в сторону анода.
Анод
делается из меди (быстрее отдает тепло и сравнительно легко охлаждается), имеет массивные размеры. Конец, обращенный к катоду, косо срезается под углом 45-70°. В центральной части скошенного анода имеется вольфрамовая пластинка, на которой находится фокус анода - участок 10-15 мм2, где в основном и образуются рентгеновы лучи.
Процесс образования рентгеновых лучей . Нить накала рентгеновской трубки - вольфрамовая спираль катода при подведении к ней тока низкого напряжения (4-15 В, 3-5А) накаливается, образуя свободные электроны вокруг нити. Включение тока высокого напряжения создает на полюсах рентгеновской трубки разность потенциалов, в результате чего свободные электроны с большой скоростью устремляются к аноду в виде потока электронов - катодных лучей, которые, попав на фокус анода, резко тормозятся, вследствие чего часть кинетической энергии электронов превращается в энергию электромагнитных колебаний с очень малой длиной волны. Это и будет рентгеновское излучение (лучи торможения).
По желанию врача и техника можно регулировать как количество рентгеновых лучей (интенсивность), так и качество их (жесткость). Повышая степень накала вольфрамовой нити катода можно добиться увеличения количества электронов, что обусловливает интенсивность рентгеновых лучей. Повышение напряжения, подаваемого к полюсам трубки, ведет к увеличению скорости полета электронов, что является основой проникающего качества лучей.
Выше уже было отмечено, что фокус рентгеновской трубки - это тот участок на аноде, куда попадают электроны и где генерируются . Величина фокуса влияет на качество рентгеновского изображения: чем меньше фокус, тем резче и структурней рисунок и наоборот, чем он больше, тем более расплывчатым становится изображение исследуемого объекта.
Практикой доказано, чем острее фокус , тем быстрее трубка приходит в негодность - происходит расплавление вольфрамовой пластинки анода. Поэтому в современных аппаратах трубки конструируются с несколькими фокусами: малым и большим, или линейным в виде узкой полосы с коррекцией угла скошенности анода в 71°, что позволяет получать оптимальную резкость изображения при наибольшей электрической нагрузке на анод.
Удачной конструкцией рентгеновской трубки является генератор с вращающимся анодом, что позволяет делать фокус незначительных размеров и удлинить тем самым срок эксплуатации аппарата.
Из потока катодных лучей только около 1% энергии превращается в рентгеновы лучи, остальная энергия переходит в тепло, что приводит к перегреванию анода. Для целей охлаждения анода используются различные способы: водяное охлаждение, калорифер-но-воздушное, масляное охлаждение под давлением и комбинированные способы.
Рентгеновская трубка помещается в специальный просвинцованный футляр или кожух с отверстием для выхода рентгеновского излучения из анода трубки. На пути выхода рентгеновского излучения из трубки устанавливаются фильтры из различных металлов, которые отсеивают мягкие лучи и делают более однородным излучение рентгеновского аппарата.
Во многих конструкциях рентгеновских аппаратов в футляр наливается трансформаторное масло, которое со всех сторон обтекает рентгеновскую трубку. Все это: металлический футляр, масло, фильтры экранируют персонал кабинета и больных от воздействия рентгеновского облучения.
